XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот «МоТрос» на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Демчук К.А. 1Карманов А.А. 1Софин А.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современной экономике морской транспорт играет решающую роль в перемещении товаров по всему миру. Транспортные контейнеры широко используются для перевозки широкого спектра товаров, от товаров повседневного спроса до тяжелого промышленного оборудования. Обеспечение надлежащего крепления контейнеров на судах имеет первостепенное значение для предотвращения несчастных случаев, повреждения груза и потенциальных рисков для экипажа и окружающей среды.

В последние годы сообщалось о авариях контейнеровозов, когда контейнеры выпадали за борт из-за неадекватного крепления. Эти инциденты не только приводят к финансовым потерям для судоходных компаний, но и представляют серьезную угрозу для морских экосистем и прибрежных сообществ. Необходимость надлежащего осмотра и проверки крепления контейнера никогда не была столь острой.

Традиционно рабочие несут ответственность за физическую проверку креплений контейнеров. Однако этот ручной процесс отнимает много времени, трудоемок и может быть подвержен человеческим ошибкам. Для устранения этих недостатков и повышения эффективности и точности проверок крепления контейнеров растет интерес к разработке роботизированных технологий для решения этой задачи.

Целью данной работы является проектирование и разработка робота, специально предназначенного для проверки крепления контейнеров на кораблях.

Этот робот будет оснащен расширенными сенсорными возможностями и интеллектуальными алгоритмами для точного обнаружения и оценки надежности креплений контейнеров. Автоматизируя этот процесс, мы стремимся сократить время и усилия, необходимые для проверки, одновременно повышая ее надежность и эффективность.

Задачи:

1. Изучить, что входит в обязанности матроса

2. Исследовать историю морских контейнеров

3. Рассмотреть виды морских контейнеров

4. Изучить существующие виды креплений для контейнеров

5. Спроектировать роботизированное решение для точного обнаружения и оценки надежности креплений контейнеров

6. Создать демонстрационную модель на базе конструктора Lego Mindstorms

7. Запрограммировать модель в ПО Lego Mindstorms

8. Глава 1. Профессия матрос

Матрос – судовой специалист младшего звания, в обязанности которого входит выполнение любого рода палубных работ под руководством боцмана на морском или речном судне. Матрос выполняет работу от легкой до самой сложной, используя различные виды палубной техники. Матрос на гражданском флоте занимается такелажными и погрузочно-разгрузочными, уборкой, косметическим ремонтом и т. д. [1]

Он руководит палубными механизмами, следит за техническим состоянием судна, при необходимости красит, грунтует корпус, промывает и смазывает механизмы, крюки, якорь, лебедки, моет палубу и корпус. Также он поддерживает чистоту на палубе и внутри судна, моет иллюминаторы, может выполнять мелкий ремонт. Матрос также выполняет поручения боцмана и помощников капитана.

Солдат (матрос) в мирное и военное время отвечает: за точное и своевременное исполнение возложенных на него обязанностей, поставленных ему задач и соблюдение при этом требований безопасности военной службы, а также за исправное состояние своего оружия, вверенной ему военной техники и сохранность выданного ему имущества. Он подчиняется командиру отделения.

Солдат (матрос) обязан:

• глубоко сознавать свой долг воина Вооруженных Сил, образцово исполнять обязанности военной службы и соблюдать правила внутреннего порядка, овладевать всем, чему обучают командиры (начальники);

• знать должности, воинские звания и фамилии своих прямых начальников до командира дивизии включительно;

• оказывать уважение командирам (начальникам) и старшим, уважать честь и достоинство товарищей по службе, соблюдать правила воинской вежливости, поведения, ношения военной формы одежды и выполнения воинского приветствия;

• заботиться о сохранении своего здоровья, повседневно закаливать себя, совершенствовать свою физическую подготовку, соблюдать правила личной и общественной гигиены;

• в совершенстве знать и иметь всегда исправные, обслуженные, готовые к бою оружие и военную технику;

• соблюдать требования безопасности военной службы на занятиях, стрельбах, учениях, при обращении с оружием и техникой, несении службы в суточном наряде и в других случаях;

• знать нормативные правовые акты Российской Федерации, нормы международного гуманитарного права в пределах установленного для солдат (матросов) правового минимума, Кодекс поведения военнослужащего Вооруженных Сил - участника боевых действий, а также соответствующие международно признанным средствам опознавания знаки различия и сигналы;\

• аккуратно носить обмундирование, своевременно производить его текущий ремонт, ежедневно чистить и хранить в определенном для этого месте;

• при необходимости отлучиться спросить на это разрешение у командира отделения, а после возвращения доложить ему о прибытии;

• при нахождении вне расположения полка вести себя с достоинством и честью, не совершать административных правонарушений, не допускать недостойных поступков по отношению к гражданскому населению. [2]

• Глава 2. Морской контейнер – как средство транспортировки грузов.

Морские контейнеры в настоящее время являются одними из самых востребованных и популярных видов тары при перевозках различных грузов. Мульти модальные перевозки – это удобно и эффективно, когда контейнер можно свободно размещать и на любом другом транспортном средстве кроме морского судна. Перегрузка морских контейнеров осуществляется в порту с помощью специальных портовых кранов на контейнеровозы, после чего они доставляются грузополучателям.

Контейнеры бывают четырех основных видов: закрытые и открытые, без бортов и специальные. Наибольшей популярностью и востребованностью при осуществлении морских перевозок, пользуются контейнеры-танки. Производство такой тары упростило перевозку наливных грузов. (Рисунок 2.1, Приложения) [3]

История появления морских контейнеров.

Остро существовала потребность в стандартизированном способе транспортировки. Но для этого необходимо было выстроить и упорядочить взаимодействие целого ряда элементов, таких как корабли, поезда, грузовые автомобили и портовые терминалы. Очевидно, что столь значительный шаг требовал колоссальных усилий и упорства. И здесь стоит упомянуть имя Малкома Маклина. (Рисунок 2.2, Приложения)

В 1934 году Маклин начал свой транспортный бизнес. В скором времени он расширил бизнес, и в его распоряжении уже находилось 5 грузовиков.Во время одной из поставок хлопковых тюков в 1937 году из Северной Каролины в Нью-Джерси Маклин стал свидетелем многочасовых погрузочно-разгрузочных работ в доках. Он задумался о том, какой пустой тратой времени и денег был этот процесс. С 1937 до 1950 года Маклин был сосредоточен на развитии своего транспортного бизнеса. В результате его компания была пятой по величине в сфере грузовых перевозок во всей Америке. В этот период ввели несколько ограничений по весу и стали взиматься сборы за автомобильные перевозки. (Рисунок 2.3, Приложения) [4]

Виды контейнеров по объему

Почти все типы контейнеров имеют два типовых размера: на 20 футов и на 40 футов. Для крупногабаритных перевозок пользуются спросом размеры контейнеров на 45 футов в длину.

Надо отметить, что 20 футов – это чуть больше шести метров в длину, а 40 футов – это около 12 метров в длину.

По ширине и высоте выделяют четыре основных типа контейнеров:

• Standart (2,44*2,6м),

• High Cube (2,9*2,9м),

• Pallet Wide (2,5*2,6м),

• High Cube Pallet Wide (2,5*2,9м).

Стандартный сухой контейнер (Dry Container) – прямоугольный по форме ящик из металла с дверцами на одной стороне. (Рисунок 2.4, Приложения) [5]

Глава 3. Средства крепления контейнеров

Правильное крепление контейнеров на палубе морских судов, обеспечивает сохранность груза, несмотря на крен и качку.

• Найтовные устройства

• Цепные оттяжки

• Палубные фитинги

• Центрирующие съемные соединительные устройства

• Ручные замки поворотного типа

• Полуавтоматические пружинные замки

Найтовные устройства включают в себя прутковые, цепные, тросовые и ремневые оттяжки. Наиболее удобны, надежны и безопасны прутковые крепления, которые выполняют из стального прутка диаметром около 24мм с разрывным усилием 240 кН. Однако хранение и транспортировка этих креплений на судне обременительны. (Рисунок 3.1 , Приложения)

Крепление талрепами. Концы прутков имеют специальную конструкцию, с помощью которой они заводятся в палубные и контейнерные угловые фитинги. Прутковые оттяжки незаменимы при использовании для крепления многоярусных контейнеров на верхней палубе судна. (Рисунок 3.1, Приложения)

Цепные оттяжки выполняют те же функции, что и прутковые. Они компактны в хранении и при транспортировке по судну, достаточно легко устанавливаются на двух-трех ярусах контейнеров. Однако при сильном натяжении (в условиях значительной качки) вытягиваются, что может быть опасным. Цепи значительно тяжелее, чем прутки, и в связи с этим их иногда изготавливают из легированной стали, хотя это ведет к увеличению стоимости цепей. (Рисунок 3.3 , Приложения )

Палубные фитинги предназначены для точной установки контейнера на палубе или крышке трюма судна и исключения возможности его смещения. Они выполнены в виде стальных отливок определенной конфигурации или сварных стальных конструкций, которые ввариваются в палубы или люковые крышки трюмов контейнеровозов. (Рисунок 3.4, Приложения)

Центрирующие съемные соединительные устройства предназначены для точной установки и предотвращения смещения контейнера на палубе или крышке грузового люка. Эти устройства изготавливают из стали и высококачественного чугуна и выполняют в виде двойных и одинарных конусов, пирамид и верхних скоб, которые в свою очередь могут иметь различную конструкцию, позволяющую использовать их для контейнеров разной высоты. Устройства также могут иметь запорные элементы в виде стержней или контргаек, повышающие их надежность в условиях качки. (Рисунок 3.5 , Приложения)

Большое значение для надежного крепления ярусов контейнеров имеют различные скобы, которые просто незаменимы для соединения контейнеров в верхних ярусах. Имеются скобы, которые могут скреплять контейнеры разной высоты. (Рисунок 3.6 , Приложения)

Ручные замки поворотного типа используются для крепления контейнеров к палубным фитингам (типа "твистлок"), к люковым крышкам трюмов и между собой. Замок состоит из трех основных частей: корпуса, штыря и поворотной ручки. (Рисунок 3.7 , Приложения )

Полуавтоматические пружинные замки предназначены для тех же целей, что и ручные. Однако установка их более проста. Замок заранее ставится в рабочее положение и срабатывает при нажатии на опорную поверхность углового фитинга (головки, поворачиваясь под действием пружины, прочно крепят контейнер). (Рисунок 3.8 , Приложения)

4.1.Создание модели МоТрос на базе Lego Mindstorms

Мы создали устройство на базе конструктора Lego Mindstorms, которое демонстрирует наше инновационное решение. (Рисунок 4.1.1, Приложения) МоТрос позволяет считывать состояние крепления и в случае надобности привести его в нужное положение.

Модель «МоТрос» движется вдоль контейнеров , преимущественно по перилам. Механизм работает от среднего мотора от которого идет угловая зубчатая передача, которая передаёт вращение к колесам. (Рисунок 4.1.2, Приложения)

Мы автоматизировали систему. С помощью датчика цвета анализирует состояние троса - штанги, который стягивает контейнеры, для предотвращения горизонтального перемещения. (Рисунок 4.1.3, Приложения)

Если штанга расслаблена, то устройство останавливается, воспроизводит сигнал, опускает оборудованную клешню и затягивает штангу, после чего перемещается дальше. Опускается клешня за счет среднего мотора и системы рычагов. (Рисунок 4.1.4, Приложения)

Закручивание штанги происходит следующим образом: с помощью среднего мотора и зубчатой передачи закручивающий механизм опускается и цепляется за трос далее с помощью зубчатой передачи движение передаётся к колесам, которые закручивают тросы. (Рисунок 4.1.5, Приложения)

Также робот оборудован датчиком касания, который реагирует на то, если перила закончились. (Рисунок 4.1.6, Приложения)

4.2. Демонстрация модели с помощью ПО Lego Mindstorms

Модель МОТрос работает на языке программирования Lego Mindstorms.

Программа делится на две части. Первая часть отвечает за обнаружение и закручивание расслабленных тросов, вторая часть отвечает за возвращение робота в изначальное состояние после того, как прошел весь маршрута.

Программа начинается с блока «Вращение мотора» в режиме «Сброс мотора», этот блок обнуляет значение энкодера мотора отвечающего за перемещение робота.

Далее идет цикл для повторения программы, после блок среднего мотора в режиме «Включить», далее идет ожидание жёлтого цвета, что означает незакрученный трос, либо ослабленный. После того, как трос был замечен средний мотор, отвечающий за перемещение останавливается. Далее идет блок мотора для калибровки перед кабелем, с помощью которого он подьезжает на необходимое расстояние. После срабатывает блок второго среднего мотора, чтобы закручивающий механизм соединился с тросом.

Третий блок «Средний мотор» отвечает за закручивания троса. После блок отсоединеняется от и программа повторяется.

Нижняя часть программа начинается с цикла далее идут 2 блока 1 считывание пройденных градусов конструкции эта информация заносится в переменную с помощью 2 блока переменой цикл прерывается в том случаи если датчика касания касается стена после цикла переменная считывается блоком переменой после идет блок проверки касания далее идет блок остановки мотора что прерывает верхний цикл и последний блок нижний программы запускает мотор в обратную сторону на столько градусов сколько проехал он вперёд это количество он берет из блока переменой который стоит сразу после цикла. (Рисунок 4.2.1, Приложения)

Заключение

Мы изучили, как обеспечивается сохранность груза, узнали, что существует несколько вариантов крепления контейнеров, проверка которых осуществляется человеком. Из этого вытекает проблема – размещение контейнера без крепления.

Мы создали устройство, которое позволяет считывать состояние крепления и в случае надобности привести его в нужное положение.

Модель «МоТрос» движется вдоль контейнеров, преимущественно по перилам. С помощью датчика анализирует состояние троса - штанги, который стягивает контейнеры, для предотвращения горизонтального перемещения. Если штанга расслаблена, то устройство останавливается, воспроизводит сигнал, опускает оборудованную клешню и затягивает штангу, после чего перемещается дальше.

«МоТрос» позволяет исключить человеческий фактор, проверив состояние креплений, тем самым сохранив в груз. А также за счет автоматизированной клешни, освобождает работников от рутинной работы.

В заключение можно сказать, что успешная разработка робота для проверки крепления контейнеров на судах может принести значительную пользу морской отрасли. Эта исследовательская работа направлена ​​на то, чтобы внести свой вклад в совершенствование методов проверки контейнеров, обеспечивая более безопасные и эффективные судоходные операции в будущем.

Список используемых источников

1. https://vuzopedia.ru/professii/2001

2. https://www.work.ua/ru/career-guide/sailor/ -

3.  https://lakkk.com/morskoj-kontejner-kak-sredstvo-transportirovki-gruzov.htm

4. https://cargotime.ru/analitika/istoriya-poyavleniya-i-razvitiya-gruzovyx-kontejnerov/

5. https://generalimport.ru/stati/konteynery-tipy-i-razmery/

6. https://dzen.ru/a/XkuPzWdUQF7TuInD

7. Приложения