XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Система сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1» на базе конструкторов Spike prime и Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Зырянов С.Е. 1Меньш Я.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Будрёнкина А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Ежегодно в воды мирового океана через реки попадает до 13 млн. тонн пластиковых отходов – пакетов, бутылок, упаковок, контейнеров, они собираются в целые мусорные острова, создавая риск экологической катастрофы. [5]

Из-за загрязнений гибнет флора и фауна. Животные могут съесть мусор, запутаться в нем, мусор может попасть им в дыхательные пути, из-за чего количество морских обитателей сокращается. Морские жители отравляются веществами, выделяемыми пластиком, который заглатывается животными. Воздействию подвержены любые организмы, даже планктон.[5] Крупные организмы, поедая мелкие, становятся добычей химических веществ, которые продвигаются вверх по пищевой цепи, в которую также входят люди. Попадая в организм человека вместе с зараженными морепродуктами химические вещества, выделяемые пластиком, могут вызвать гормональные изменения, рак, репродуктивные аномалии, нарушения развития детей.

Не смотря на опасность мусорной катастрофы производители пластика предпочитают создавать ежедневно все больше одноразовых упаковок, дешевых игрушек, предметов быстрой моды, а не отдают предпочтение переработке уже существующего пластика, ограничивая его количество, что является проблемой всего человечества.

Данная проблема является актуальной, так как забота об окружающей среде и сохранение ее ресурсов не только вклад в здоровое настоящее, но и вклад в здоровье будущих поколений.

80% мусора в океане берется из-за жителей и гостей городов, расположенных в непосредственной близости с морем. Лидерами по загрязнению вод мирового океана считаются Китай, Таиланд, Филиппины и Индия. Во многих из этих стран бросать мусор в реки и моря считается практически нормой. Однако и в наших городах есть засоренные реки. [4]

Реки впадают в моря, моря – это часть океанических вод, и тот мусор, что был брошен в воду- течением уносит в океан. В водах мирового океана, пластиковые отходы ведомые течением скапливаются в местах «затишья», где и образует целые «плавучие свалки» на волнах.

Узнав это, наша команда поставила перед собой цель- создание условий, привлекающих предпринимателей к переработке мусора, за счет сокращения расходов на сбор и транспортировку пластика к сортировочным центрам при помощи использования роботизированных систем.

В связи с этим мы обозначили для себя следующие задачи:

-выявить уровень знаний о проблеме загрязнения окружающей среды среди наших одноклассников, а именно младших подростков 10-13 лет;

-изучить существующие роботизированные системы для очистки водоемов от пластика;

-рассмотреть наиболее рентабельный вариант создания автоматизированной системы для сбора и транспортировки пластика в водоемах в рамках бизнес-модели;

-создать модель системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1»;

-продемонстрировать возможности системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1» на примере одного дня работы своим одноклассникам;

-проанализировать эффективность использования системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1».

При подготовке данного проекта мы пользовались следующими источниками:

- Lego удивительные творения;

-LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов;

-Курс «Машины и механизмы», ШИР«Мистер Брейни»;

- интернет-источник (https://oirp.ru);

- интернет-журнал (www.rbc.ru);

- интернет-журнал (usk-eko.ru);

- интернет-журнал (robotrends.ru).

Глава 1.Теоретическое обоснование создания системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1»

1.1 Уровень знаний о проблеме загрязнения окружающей среды среди младших подростков 10-13 лет

С целью определения уровня знаний о проблеме загрязнения окружающей среды среди наших одноклассников в школе «Мистер Брейни» наша команда изучила несколько интернет-источников, и составила свой опросный лист и систему оценивания результатов.

Опрос включал в себя бланк вопрос-ответ, который продемонстрирован ниже.

Что бы оценить результаты, мы придумали следующую систему, ответ «да» равен 1 баллу, ответ «Нет» равен 0 баллов.

Результаты:

5-7 баллов. Человек интересуется его ролью в охране окружающей среды от загрязнений и ответственно подходит к теме загрязнения.

0-4 балла. Человек не осведомлен об опасности загрязнения природы различными видами отходов, не интересуется этой темой.

Всего мы опросили 20 человек в возрасте 10-13 лет, так как именно эта группа детей соответствует нашему возрасту и наиболее близка по интересам.

По итогам опроса 60% ответивших- 12 человек, набрали 0-4 балла. Исходя из этих данных, мы делаем вывод, что многие не осведомлены об опасности загрязнения окружающей среды различными видами отходов или не оказывают данной проблеме должного внимания.

Результаты данного опроса подтверждают аргументированность сформулированной нами проблемы.

1.2 Существующие роботизированные системы для очистки водоемов от пластика

В разных странах мира уже начали понимать опасность загрязнения водоемов пластиком. В связи с этим, эко-френдли компании, эко-активисты и молодые ученые начали создавать различные приспособления, призванные очищать воду от попавшего в нее мусора. Однако большинство из них находится исключительно на стадии испытаний.

Наиболее доступный из рассмотренных нами проектов-это “Мусорная акула”.[6] Это небольшой плавучий робот способный самостоятельно определять места скопления мусора и толкать его своим корпусом к берегу, где мусор уже будет собирать человек. Работая 5 дней в неделю такой робот, предположительно, сможет сдерживать до 15 тонн мусора в год. Его зарядки для одного заплыва хватает на 8 часов. Затем он самостоятельно отправляется к зарядной станции. (Приложение, Рисунок 1.2.1)

Второй, заинтересовавший нас робот – «Медуза» является самым миниатюрным. Этот робот оснащен искусственными «мышцами» – электрогидравлическими приводами, которые приводят «Медузу» в движение.[6] Мышцы окружены воздушными подушками. Когда медуза плывет вверх, то создает течения вокруг своего тела. С их помощью она захватывает частицы мусора и тянет к берегу. На данный момент движение «Медузы» очень ограничено проводом, через который она получает электричество. Однако сейчас в Германии идут разработки этого робота работающего от аккумулятора. (Приложение, Рисунок 1.2.2)

Самой продуктивной, из рассмотренных нами, является «System 001». Это 600 метровая плавучая платформа в форме подковы, снабженная экраном, опущенным на глубину 3 метра, к которому прибивается мусор с поверхности воды. [6]

Платформа дрейфует самостоятельно в океане до трех месяцев, после чего ее забирают вспомогательные судна, буксируя к берегу. Такая платформа способна собирать 2-3 тонны пластика за один запуск, работает от солнечных батарей, но из-за разниц течения очень много мусора выбивается из под экрана. (Приложение, Рисунок 1.2.3)

Именно «System 001» привлекла наше внимание, так как уже получила значимые результаты при испытаниях.

Не смотря на разнообразие уже существующих роботизированных систем для сбора мусора, ни одна из них не является достаточно рентабельной для предпринимателей, и разрабатывается за счет средств благотворителей.

1.3 Бизнес-модель системы для сбора и транспортировки пластика в водоемах

Для того что бы определить перспективу развития нашего проекта в реальной жизни мы посоветовались с работниками судоходных компаний в Тобольске. (Приложение, Рисунок 1.3.1)

Что бы наиболее точно просчитать рентабельность использования задуманной нами системы сбора и транспортировки пластика в водоемах мы решили изучить эту проблему и стоимость ее решения, опираясь на ресурсы нашего региона, а так же изучили возможные компании-партнеры, которых может заинтересовать наша идея.

В Тюмени речной транспорт, является составной частью транспортного комплекса и одним из старейших его видов, играет большую роль в становлении и развитии экономики области.

Протяженность водных путей, обслуживаемых судоходной обстановкой по Обь-Иртышскому бассейну составляет 12150 км, в том числе по Тюменской области 9844 км, из них по югу области – 1465 км.[7]

Для жизнедеятельности региона водные пути часто являются единственной возможностью добраться к населенным пунктам приречных районов области.

За последние годы прослеживается рост объема грузовых перевозок, особенно в районы Крайнего Севера, где отсутствуют или недостаточно развиты железные и автомобильные дороги.[7]

Тура впадает в Тобол, Тобол впадает в Иртыш , Иртыш впадает в Обь, Обь в Карское море, а Карское море является окраинным морем Северного Ледовитого океана. Для того, что бы, не допустить попадание пластика в воды океана мы предлагаем установить нашу систему сбора «Clean 1» возле Тобольска, перед местом впадения реки Тобол в Иртыш. Оттуда собранный сетями пластик волонтеры погружают на грузовые корабли идущие через Тюмень. В Тюмени наша автоматизированная система транспортировки отходов с корабля перенесет ее в сортировочную станцию, где мусор уже будет разобран и отправлен на переработку в компании-партнеры. Данная система в соответствии с сезонными особенностями региона будет работать с мая по октябрь.

В зависимости от количества собранного мусора, данная система в перспективе может приносить доход, все финансовые аспекты, которые мы смогли изучить и проанализировать мы указали в созданной нами бизнес модели.

Бизнес модель проекта системы сбора и транспортировки пластика в водоемах «Clean 1» представлена в нижеуказанной таблице.

К сожалению данная система не имеет большой и быстрой прибыли, однако мы ставим перед собой задачу сохранить природные ресурсы.

Глава 2. Модель системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1»

2.1 Конструкция модели системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1»

В нашей модели мы использовали два конструктора Spike Prime и LEGO Mindstorms.

Смарт хабы и моторы Spike Prime отвечают за движение лебедки, которая сбирает сеть-ловушку, расположенную по берегам рек для сбора мусора, за волны, создающие эффект движения воды в проекте, а так же датчик цвета и мотор Spike Prime отвечают за работу конвейера в сортировочном центре. (Приложение, Рисунок 2.1.1) [1]

Лебедка и движение воды работают при помощи одного смарт хаба SpikePrime и двух моторов. Мотор «В» отвечает за движение лебедки, где блоки ожидания демонстрируют время, отведенное на сбор мусора и его транспортировку к берегу и время для сбора. (Приложение, Рисунок 2.1.2) Мотор «С» используется для приведение в движение механизма воды. (Приложение, Рисунок 2.1.3) [1]

По нашей задумке собранный мусор ожидает вспомогательное судно, загружать мусор на корабль мы планируем при помощи лебедок на самих кораблях и при помощи рабочих. Когда корабль заходит в порт, отходы с него заберет манипулятор, который передвигается в нашей модели при помощи реечной передачи. (Приложение, Рисунок 2.1.4) [3]

На самом манипуляторе расположена угловая зубчатая передача, позволяющая ему передвигаться вдоль рейки и вспомогательная малая шестерня, позволяющая делать движение более равномерным. С обратной стороны манипулятора расположены колеса. (Приложение, Рисунок 2.1.5) [2]

Движение в нашей программе зависит от указанного времени работы мотора, однако, мы дополнительно установили в конструкцию датчик цвета, для того что бы была возможность запрограммировать движение манипулятора в зависимости от цвета маячков расположенных на пристани.

Движение манипулятора в горизонтальной плоскости осуществляется при помощи угловой зубчатой передачи, а движение в вертикальной плоскости осуществляется при помощи понижающей зубчатой передачи. Захват работает на основе системы рычагов. (Приложение, Рисунок 2.1.6) [2]

При приближении манипулятора к сортировочному центру срабатывает датчик цвета Spike Prime, по сигналу которого мотор запускает конвейер, по которому отходы попадают в бокс для сортировки. (Приложение, Рисунок 2.1.7)

Для того что бы обезопасить коннекторы и моторы от попадания воды, вместо нее мы использовали гидро-гелевые шарики.

2.2 Управление моделью системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1»

В данной модели есть три основные роботизированные части. Манипулятор на базе конструктора LEGO Mindstorms EVE3 работает при помощи одного коннектора, 4 моторов, которые заставляют робота выполнять следующую последовательность движений, которую вы можете проследить в программе: (Приложение, Рисунок 2.2.1)

1. Манипулятор подъезжает к кораблю.

2. Манипулятор поворачивается в горизонтальной плоскости к кораблю.

3. Манипулятор опускается.

4. Захват хватает сеть с мусором.

5. Возвращается в исходное положение.

6. Движется в направлении сортировочного центра.

7. Манипулятор опускается.

8. Захват отпускает сеть с мусором в сортировочный центр.

Блоки в программе взаимосвязаны при помощи установленного времени работы.

Лебедка, собирающая сеть-ловушку у берега, и волны работают на основе Spike Prime от одного смарт-хаба, так же ориентируясь на время работы. (Приложение, Рисунок 2.2.2)

Работа сортировочного центра так же работает на основе Spike Prime и ориентирована на сигнал датчика цвета. (Приложение, Рисунок 2.2.3)

2.3 Демонстрация возможностей системы сборки и транспортировки пластика в водоемах «Clean1» на примере одного дня работы

Сеть работает в период с мая по октябрь, в зависимости от региона, где она установлена. Сеть-ловушка стационарно установлена на берегах реки и собирает в себя весь мусор, который приносит течением.

Раз в неделю волонтеры при помощи установленной лебедки собирают сеть у берега и убирают тот мусор, что ей удалось собрать в мешки, затем грузят его на вспомогательные суда. (Приложение, Рисунок 2.3.1) Это может быть любой грузовой корабль. Корабль отправляется в порт города. (Приложение, Рисунок 2.3.2) Волонтеры отпускают сеть обратно для сбора мусора.

Попав в порт, корабль останавливается для разгрузки, а роботизированный манипулятор забирает с него мешки с мусором, отправляя их в сортировочный центр, находящийся в порту. (Приложение, Рисунок 2.3.3) Там так же волонтеры разбирают по категориям собранный мусор и отправляют на переработку или утилизацию.

Заключение

Ежедневно крупные производства создают огромное количество пластика, засоряющего окружающую среду. Последствия этого загрязнения сказываются не только на растительности или животных, но и на здоровье самого человека. Пластик не разлагается, может годами лежать в земле или загрязнять реки, озера или океаны нанося непоправимый вред.

Несмотря на опасность, количество пластика только растет, создавая угрозу настоящей экологической катастрофы, так как крупным компаниям производителям дешевле создавать новый пластик, нежели перерабатывать уже существующий.

Многие эко-активисты, фонды и компании пытаются привлечь внимание к проблемам нашей планеты, которые касаются каждого ее жителя.

Благодаря волонтерам и эко-френдли компаниям у обеспокоенных молодых компаний и юных инженеров есть возможность изобретать роботизированные системы, способные сдерживать потоки мусора попадающие в океан, однако, по результатам нашего опроса, этого недостаточно.

В связи с этим наша команда решила изучить возможности очистки водоемов, которые не только будут эффективны с точки зрения экологии, но и финансово привлекут крупные компании.

Мы создали модель системы сбора и транспортировки пластика в водоемах, которая демонстрирует возможность использовать автоматизированные системы, позволяющие сокращать затраты на оплату рабочей силы, а следовательно и уменьшать стоимость переработки пластиковых отходов, делая ее более финансово привлекательной.

Так же в подтверждение рентабельности использования созданной нами системы мы разработали бизнес-модель, демонстрирующую вложения и предполагаемую прибыль.

Данная модель была продемонстрирована на региональном этапе Российской робототехнической Олимпиады и заняла первое место.

Так же, с незначительными улучшениями она была представлена на Всероссийском этапе Российской робототехнической Олимпиады.

Модель системы сборки и транспортировки пластика в водоемах можно использовать на уроках информатики и робототехники, а так же в качестве интерактивного учебного пособия для привлечения внимания к проблемам экологии.

Список использованных источников и 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://www.rbc.ru;

5. https://usk-eko.ru;

6. https://robotrends.ru;

7. https://oirp.ru.

Приложение