XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированная система в местах общественного питания на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Галеев И.Д. 1Липихин Л.А. 1Черепанов Д.Е. 1Чупров Б.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном быстро меняющемся мире автоматизация стала неотъемлемой частью различных отраслей, в том числе пищевой промышленности. Спрос на эффективные и инновационные решения в местах общественного питания привел к разработке автоматизированных систем, которые могут улучшить общее впечатление от еды.

Целью данной исследовательской работы является представление демонстрационной модели автоматизированной системы, специально предназначенной для предприятий общественного питания.

В этой работе мы углубимся в дизайн, функциональность и потенциальные преимущества этой демонстрационной модели. Кроме того, мы обсудим технические аспекты и возможность внедрения такой автоматизированной системы в реальных сценариях. Анализируя влияние автоматизации в пищевой промышленности, мы стремимся пролить свет на возможности повышения эффективности, удовлетворенности клиентов и общей операционной эффективности.

Задачи:

• Рассмотреть существующие решения роботизированных ресторанов

• Изучить наиболее популярные виды роботов-официантов

• Исследовать Технические характеристики роботов официантов и их принцип работы

• Спроектировать роботизированное решение для мест общественного питания

• Создать стол считывающий номер заказа на базе конструктора Lego Mindstorms

• Создать робота-официанта на базе конструктора Lego Mindstorms

• Запрограммировать систему в ПО Lego Mindstorms

Глава 1. Изучение существующих решений.

1. 1. Роботизированные рестораны в мире

В 2018 году четыре студента Массачусетского технологического института и шеф-повар Даниэль Булуд, удостоенный звезды Michelin, открыли в Бостоне первый в мире полностью роботизированный ресторан Spyce.

Spyce имеет собственную кухню с семью автономными блоками, которые позволяют быстро делать здоровую пищу. Клиенту нужно выбрать в электронном меню одно из блюд, а ростки, капуста, бобы, зерно и другие овощи и фрукты, а также различные мясные продукты, автоматически попадут в одну из барабанных машин, после чего будут готовиться. Единственные люди, которые работают в ресторане — два повара, которые нарезают и подготавливают ингредиенты для готовки, а также складывают гарнир.

Кухня ресторана Spyce использует магнитную индукцию для нагрева пищи, при этом плита может автоматически ополаскивать себя после приготовления каждого заказа.

При этом в Spyce установлена открытая кухня, поэтому все желающие могут наблюдать, как их еда готовится автоматически. Несмотря на специфику кухни, многие эксперты высоко оценивают вкусовые качества блюд. (Рисунок 1.1.1, Приложения)

Во всем мире роботов начинают использовать для готовки — они заменяют работников кухни. В США роботизированные руки Miso Robotics жарят бургеры, автоматы Spyce готовят упакованные салаты с собой. В Китае робот компании OrionStar заменяет профессионального бариста и за три минуты готовит любой кофе.

Подобные технологии начали внедрять и в России. Сеть «Много лосося» использует робота для приготовления поке. В московском ресторане Twins Garden в приготовлении еды участвует 3D-принтер: на нем «печатается» фасолевый белок, похожий по вкусу на мясо кальмара. Роботизация кухонь — одна из наиболее горячих тем, связанных с инновациями в пищевой индустрии.

Ресторан «Роллер» в парке развлечений «Сочи парк»

«Роллер» - первый в России роботизированный ресторан. Посетителям ресторана не нужны услуги официантов, они используют интерактивные экраны, чтобы сделать заказ, который прибывает на стол своим ходом. Ресторан-роллеркостер — это «американские горки» для блюд, которые попадают к гостям, прокатившись по специальным рельсам. Такие рестораны-аттракционы в мире наперечет, они развлекают туристов в Австрии, Германии, Великобритании, Индии, Кувейте, Арабских Эмиратах. Роллеркостер в Сочи Парке станет первым в России. Ресторан рассчитан на 168 мест, к каждому из 14 просторных круглых столов подведены треки горок. Гости могут наблюдать, как блюда в специальных контейнерах, скатившись с десятиметровой высоты, где расположена кухня, проходят закрученные в штопор виражи и «мертвые петли».  (Рисунок 1.1.2., Приложения)

Особое внимание привлекает огромная спираль-торнадо, расположенная для удобства зрителей в самом центре зала. Из окон двухэтажного ресторана открывается панорамный вид на парк. (Рисунок 1.1.3., Приложения)

1. 2. Роботы-официанты

Alexia, Cocuus System, Испания 

В баре Bar Baviera, Plaza del Castillo, Pamplona, Испания, внедрен робот-официантка Alexia. Система навигации робота простейшая - по магнитной ленте, размещенной на полу. Сотрудники бара задают номер столика, куда адресован заказ. Робот приносит напитки, затем возвращается за пустыми стаканами. (Рисунок 1.2.1, Приложения)

Keenon Robotics, Китай

Предположительно крупнейший в мире и в Китае производитель мобильных автономных роботов-официантов для кафе и ресторанов. Выпускает роботов, похожих на невысокие книжные шкафы-горки, которые развозят заказы на территории кафе. Основанная в 2010 году Keenon Robotics, массово производит роботов-официантов с 2017 года. Стартап быстро занял до 49% рынка роботов для обслуживания клиентов ресторанов в Китае, такие данные приводит IDC по итогам 2021 года. Весьма вероятно, что Keenon Robotics является также крупнейшим в мире поставщиком роботов для этого сегмента. Останавливаться на этом гигант не намерен, напротив, в период до конца 2025 года компания планирует нарастить суммарное количество роботов в 3-5 раз относительно примерно 35 тысяч на конец 2022 года. Около 10 тысяч из них работают за рубежом, в том числе в Японии, Южной Корее, Европе, Америке и в Юго-Восточной Азии. В планах компании - нарастить долю зарубежного сегмента в поставках до 50%. Чтобы ускорить экспансию, Keenon в 2022 году открыла дочерние бизнесы в США, ОАЭ, Нидерландах в дополнении к офисам, открытым в Японии, Южной Корее и Гонконге в 2021 году. Keenon расширяет линейку своих сервисных роботов. Кроме роботов-официантов, компания также создает роботов для отелей, способных самостоятельно ездить на лифтах, причем они будут ждать следующего лифта, если определят, что внутри слишком много людей. 
Китайские роботы Keenon стоят от $10 тыс до $30 тыс, что делает их более доступными, чем конкурирующие модели, созданные в Европе, США и Японии, - это позволяет китайцам верить в реализуемость их планов. Основной конкурент - китайская Pudu Robotics. (Рисунок 1.2.2, Приложения) [1]

Kunshan Pangolin Robot, Китай

Китайская компания-производитель Kunshan Pangolin Robot, Китай, вышла о своими роботами на рынок Японии. Цена одного робота-официанта - от $4380. Время зарядки батареи робота - 6 часов. Первые роботы-официанты начнут работу в кафе в тематическом парке развлечений Huis Ten Bosh в Японии. (Рисунок 1.2.3, Приложения) [4]

Pudu Robotics, Китай

Крупнейшая сеть семейных ресторанов Японии - SkyLark начнет использовать робото-официантов в 1 тысяче своих ресторанов в апреле 2022 года, к концу 2022 года планируется довести число заведений с роботизированным обслуживанием до 2 тысяч. Будут использоваться роботы BellaBot китайского стартапа Pudu Robotics. В отличие от внедрений, когда роботы только доставляют заказу и отвозят на мойку грязную посуду, планируется, что BellaBot будут также принимать заказы, давать консультации и рассчитываться с клиентами. 
Роботы будут внедряться в некоторых ресторанах Gusto и во всей сети Syabuyo shabu. К концу 2022 года, как ожидается, роботизации подвергнется не менее 60% ресторанов под управлением SkyLark Holdings. Стоимость проекта оценивается в $380 млн. [2]
Кроме того, японская сеть ресторанов Mos Burger приняла решение о запуске роботов-официантов в своих торговых точках. Это будут телеуправляемые неавтономные роботы OriHime Porter. Компания уже начала перевод своих официантов на удаленку. Основная масса роботов появится в ресторанах компании в 2022 году. (Рисунок 1.2.4, Приложения)

1. 3. Устройство робота-официанта

Рассмотрим устройство на примере робота-официанта BellaBot.

Полностью безопасный, техничный робот с самым милым дизайном не только выполняет рутинные задачи вместо персонала, но и создает дружелюбную атмосферу в заведении. Один Bellabot способен выполнять работу 5 официантов, может обслуживать несколько столов одновременно и поздравлять гостей с днем рождения. Работает 24 \7. Без больничных, выходных и праздников. Привлекает внимание и гарантирует искренний восторг у гостей!

Общая загрузка 40 кг. Поднимает груз в 2 раза больше, чем человек. Скорость доставки 0,5-1,2 м\с. Работает 24 \7. Без больничных, выходных и праздников. Один робот заменяет до 4-х официантов. Бионический дизайн и дружелюбный вид располагают к общению и положительным эмоциям.

Подробные технические характеристики:

• Используют более 800 заведений

• Вес робота:57 кг

• Размер робота:565 * 537 * 1290 мм

• Срок службы батарей:12 - 24 ч

• Материал:АБС / авиационный алюминиевый сплав

• Безопасность:Скорость: 0,5-1,2 м / с (регулируемая) |

• Угол подъема: ≤ 5

• Позиционирование: Стандарт: высота 5 метров, требуется наклейка с кодом

• Расширенный: нет особых требований к высоте, но требуется стандартизированная среда

Преимущества конструкции

Робот имеет возможность 3D обхода препятствий, благодаря встроеным высококачественным RGBD-датчиками. Intel vision обеспечивают безопасность при обходе препятствий.

В основании робота встроен радар нового поколения, который эффективно отображает SLAM (построение карты). Лидар 5400 раз в минуту сканирует пространство перед собой. Также имеет три датчика, которые также сканируют пространство снизу вверх и сверху вниз. Он различает предметы высотой до 5 см от пола и выше. Если человек идет ему навстречу,то робот заранее видит его и прогнозирует траекторию и объезжает его, либо останавливается в зависимости от встроенной программы.

Также основание оборудовано подвеской, которая позволяет роботу справиться с различными неровностями на дороге и гарантирует стабильное движение.

Робот видит почти 270 граудсов перед собой, это очень широко, у человека нет такого угла обзора.

Встроенные датчики в лоток, позволяют роботу почувствовать, что еду забрали и уйти, реализуя бесконтактную доставку. (Рисунок 1.3.1, Приложения)

В роботе операционная сиcтема Android. Также есть низкоуровневое программное обеспечение, которое взаимодействует с моторами и датчиками робота – это уже разработка Pudu Roboticks.Пользовательский интерфейс построен на ОС Android. [3]

Глава 2. Практическая часть

2.1. Создание автоматизированной системы на базе конструктора Lego Mindstorms

Мы разработали демонстрационный проект автоматизированной системы для мест общественного питания на базе конструктора Lego Mindstorms. (Рисунок 2.1.1, Приложения)

Система включает в себя два основных элемента: стойка, где выдаются и считываются заказы и робот, который забирает и разносит их. (Рисунок 2.1.2, Приложения)

Основой стола является программируемый блок EV3. К нему мы прикрепили рамки, чтобы придать вид стойки. Имеется доступ к кнопкам на модуле, они необходимы при дальнейшем программировании. Также установлен датчик цвета. Он расположен вертикально вверх, чтобы выдаваемый заказ, размещался на нем и считался код (цветовое значение). (Рисунок 2.1.3, Приложения)

Для доставки заказов разработали робота-официанта. (Рисунок 2.1.4, Приложения)

Робот-официант имеет колесную базу. Задние колеса работают от двух больших моторов. (Рисунок 2.1.5, Приложения)

Передние колесики являются опорными. Чтобы робот двигался точно, мы грамотно распределили вес. Блок ev3 находится над задними колесами. На передней части мы разместили манипулятор. Манипулятор работает от двух больших моторов.

Первый мотор отвечает за поворотную платформу и работает на зубчатой передачи. Интересно то, что мотор перемещает сам себя. Мотор вращает среднюю коническую шестеренку, приводя в движение малую коническую, та, вращаясь, перемещается по шарниру, прикрепленному к основанию робота, тем самым поворачивается мотор вокруг своей оси. (Рисунок 2.1.6, Приложения)

Захват работает от второго большого мотора и системы рычагов. Всего их 5. При вращении мотора происходит захват, рычаги сцепляются между собой. Если межу ними установлен кубик, то рычаг поднимается. (Рисунок 2.1.7, Приложения)

Робот официант оснащен двумя датчиками:

Ультразвуковой датчик отвечает за перемещение робота до стойки заказов. Он установлен в прежней части робота. (Рисунок 2.1.8, Приложения)

Гироскопический датчик отвечает за поворот манипулятора. Установлен в верхней точке манипулятора на поворотной оси.

2.2. Создание программы в ПО Lego Mindstorms

Так как в нашем проекте используется два программных блока, то соответственно необходимо было разработать две программы: для робота официанта и стойки заказов. Для того, чтобы система работала, мы использовали беспроводную связь Bluetooth и пограммный блок «Обмен сообщениями»

Создание программы для стойки заказов

Блок, отвечающий за стол заказов ждет сигнал от датчика цвета, с помощью блока «Ожидания». Как только заказ размещен на столе, срабатывает датчик на один из цветов (синий, зеленый, красный). После этого отправляется сообщение «gotovnost» и воспроизводится звуковой сигнал «Color». Это означает, что заказ готов и сигнал отправлен роботу официанту.

С помощью блока переключатель, в зависимости от цвета отправлется сообщение «cv» с числовым значением:

0 – нет цвета

1. Зеленый цвет

2. Синий цвет

3. Красный цвет

Цикл прерывается, как только датчик перестает видить цвет. Это означает что робот забрал заказ. Воспроизводится звуковой сигнал «Go».

После этого программы в режиме многозадачности ожидает нажатия на одну из кнопок на программируемом блоке EV3. Кнопки на блоке, дают понять на какой ряд необходимо отвезти заказ, левый или правый. Отправляется сообщение «r» с числовым значением. Для кнопки вверх – 1, для кнопки вниз – 2. (Рисунок 2.2.1, Приложения)

Создание программы для робота официанта

Перед тем, как преступить к созданию программы для робота-официанта, мы разработали свои программные блоки, которые будут использоваться в программе для робота.

Создание своих программных блоков

Программный блок «Stopstol» позволяет перемещаться роботу вперед, до тех пор пока расстояние до стойки заказов не будет оптимальным. Параметр можно изменять. Работает этот блок с помощью ультразвукового датчика (Рисунок 2.2.2, Приложения)

Программный блок «Pravo» разворачивает поворотную платформу под прямым углом в правую сторону с помощью гироскопического датчика.

Программный блок «Levo» разворачивает поворотную платформу под прямым углом в левую сторону с помощью гироскопического датчика.

Далее мы преступили к созданию основной программы для робота официанта. В начале программы у робота на экране выводится картинка о спящем режиме, ка только блок получил сообщение «gotovnost» воспроизводится звук Hello и изображение с улыбкой.

Далее робот перемещается до стойки с помощью программного блока «Stopstol». Разворачивает манипулятор с помощью программного блока «Pravo» к заказу и забирает его с помощью большого мотора.

Полученное сообщение «cv» по шине данных отправляем в переключатель, в зависимости от полученного значения, робот отъезжает назад, к нужному столу на определенное количество градусов.

После этого официант, в зависимости от полученного сообщения, отвечающего за ряд, разворачивает манипулятор в одну из сторон с помощью своих блоков «Pravo» или «Levo». (Рисунок 2.2.3, Приложения)

Заключение

В заключение, эта исследовательская работа успешно представила демонстрационную модель автоматизированной системы, разработанной специально для общественного питания. В ходе проекта были рассмотрены различные существующие роботизированные ресторанные решения, а также изучены наиболее популярные типы роботов-официантов. Технические характеристики и принципы работы этих роботов также были исследованы, чтобы обеспечить всестороннее понимание области.

На основе этого исследования было разработано роботизированное решение для мест общественного питания с особым акцентом на создание стола, который может считывать номер заказа с помощью конструктора Lego Mindstorms. Кроме того, с помощью Lego Mindstorms был построен робот-официант, который был запрограммирован с использованием соответствующего программного обеспечения.

Демонстрационная модель служит доказательством осуществимости и эффективности автоматизированных систем для повышения качества обслуживания клиентов в заведениях общественного питания. Будущие исследования могут опираться на эту работу, улучшая и развивая роботизированное решение для практического применения.

Список используемых источников

1. https://robotrends.ru/robopedia/roboty-oficianty

2. hightech.plus 

3. https://www.youtube.com/watch?v=ccAVVd4KvHk

4. https://dzen.ru/a/WvV8D4yL4-3J_mO_

Приложения