Робот-уборщик и сортировщик деталей LEGO на базе конструктора Lego Mindstorms EV3

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Робот-уборщик и сортировщик деталей LEGO на базе конструктора Lego Mindstorms EV3

Жуков Д.Д. 1Жуков Л.Д. 1Копытова А.А. 1Лескин С.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Бек М.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Развитие робототехники и автоматизации в современном мире наблюдается с каждым годом все больше и больше. Роботы уже нашли применение в различных сферах деятельности, от промышленности до медицины и бытового использования. Это вызвано не только потребностью в увеличении производительности, но и стремлением повысить качество и эффективность работы. Одним из интересных направлений в робототехнике является использование роботов для уборки и сортировки, в частности, деталей LEGO.

Сортировка деталей LEGO является важным этапом в процессе их использования, организации и хранения. Эффективность данного процесса имеет значимость как для профессиональных строителей и дизайнеров, так и для любителей, занимающихся конструированием с использованием LEGO.

Целью данного реферата является изучение и анализ работы робота-уборщика и сортировщика деталей LEGO на базе конструктора Lego Mindstorms EV3. В рамках исследования будут рассмотрены принципы работы роботов, а также проведен анализ и сравнение их эффективности и возможностей развития.

Задачи:

1. Изучение конструктора Lego Mindstorms EV3;

2. Ознакомление с принципами работы робота-уборщика и сортировщика деталей LEGO;

3. Анализ эффективности работы робота-уборщика и сортировщика;

Вот несколько основных аспектов, почему эффективность процесса сортировки деталей LEGO является актуальной и значимой:

1. Ускорение поиска и выбора нужных деталей: Сортировка деталей LEGO позволяет создать систему логического разделения, которая сокращает время поиска нужных элементов при строительстве моделей или исправлении существующих конструкций. Быстрый доступ к правильным деталям помогает экономить время и энергию, так как конструкторы и архитекторы могут сосредоточиться на творческом процессе и не отвлекаться на поиск необходимых элементов.

2. Упрощение хранения и управления коллекцией деталей: Когда детали LEGO правильно отсортированы, их хранение и управление становятся более организованными и удобными. Систематическая сортировка позволяет избегать хаоса, связанного с нераспределенными или плохо организованными деталями. Это также позволяет избежать потери или повреждения деталей при их случайном смешении или падении.

3. Улучшение рабочего процесса и повышение производительности: Процесс сортировки деталей LEGO помогает оптимизировать рабочий процесс, ускоряет сборку и разработку моделей. При наличии хорошо структурированной системы сортировки, конструкторы могут более эффективно использовать свое время и ресурсы, что способствует повышению производительности и качества их работы.

4. Облегчение обмена деталями и сотрудничества: Если вы занимаетесь конструированием вместе с другими людьми, то процесс сортировки деталей LEGO становится особенно важным. Организованная система сортировки помогает упростить обмен деталями между участниками и повысить эффективность их сотрудничества. Имея общую систему сортировки, можно легко найти нужные детали и использовать их для совместного строительства или обновления моделей.

Глава 1. Обзор конструктора Lego Mindstorms EV3

    1. Описание основных компонентов и возможностей конструктора lego mindstorms ev3

Lego Education Mindstorms EV3 — образовательная робототехническая платформа, разработанная специально для учебных заведений. С помощью неё ученик сможет уже за первое занятие создать своего первого робота. Учебная программа на базе EV3 рассчитана на всю среднюю школу и может использоваться для старших классов.

Благодаря продуманным учебным материалам для учителя и учеников Mindstorms стал стандартом западных образовательных классов по робототехнике для детей и является самым популярным решением для оснащения классов робототехники в России.

Все детали имеют повышенную износоустойчивость и при адекватном использовании комплект способен пережить больше 10 учебных лет. А в случае повреждения одного из датчиков или соединительных проводов их можно докупить отдельно.

Мозгом платформы является программируемый Микрокомпьютер EV3 с экраном и портами ввода-вывода, он контролирует работу моторов и датчиков. Соединяются компоненты платформы специальными кабелями из комплекта.

При помощи датчиков робот воспринимает окружающий мир, а благодаря моторам – реагирует на него в соответствии с заложенной программой(рисунок 1.1.1 Приложения).

    1. Обзор программного обеспечения Lego Mindstorms EV3

Программное обеспечение Mindstorms предоставляет возможность визуального программирование (перетаскивание и размещение командных блоков). Чтобы писать программы, достаточно размещать блоки функциональности на схеме. В зависимости от типа блока, каждый блок может быть сконфигурирован. 

Есть широкий спектр программных блоков на выбор, как показано ниже, и сгруппированы в шесть категорий: Действие (зеленый), Управление потоком (оранжевый), Датчики (желтый), Операции над данными (красный), Дополнительные (синий), и Мои Блоки (циановый).

Группа Мои Блоки содержит пользовательские блоки, которые можно создать самостоятельно. Они могут содержать внутри целые программы.

Когда вы создали свою программу, она должен быть скопирована в робота. Есть фактически три различных метода, как программируемый модуль может быть подключен к программному обеспечению Mindstorms.

После подключения, вы можете загрузить ваш проект на модуль. Обратите внимание, что все программы в рамках вашего проекта копируются. Вы можете выбрать, чтобы просто загрузить или загрузить и сразу же начать выполнение текущей программы(рисунок 1.2.1 Приложения).

Глава 2. Способы сортировки деталей LEGO. Значимость сортировки и уборки деталей конструктора в жизни людей.

2.1 Систематическая сортировка деталей LEGO.

В этом разделе мы рассмотрим различные способы сортировки деталей LEGO и их значимость в повседневной жизни людей. Упорядоченная система сортировки не только помогает ускорить процесс поиска нужных элементов, но и создает более организованное окружение для хранения и управления коллекцией деталей.

  1. Сортировка по типу деталей

Один из популярных способов сортировки LEGO - это разделение деталей по их типу. Это означает, что все однотипные детали объединяются в отдельные контейнеры, ящики или ячейки. Например, можно создать отдельные контейнеры для пластиковых блоков, колес, панелей, фигурок минифигурок и т.д. Этот метод облегчает поиск нужных деталей во время сборки моделей и позволяет быстро организовывать их после использования(рисунок 2.2.1 Приложения)..

  1. Сортировка по цвету

Другой распространенный способ сортировки LEGO - это разделение деталей по их цвету. В этом случае все детали одного цвета группируются вместе. Этот подход особенно полезен для строителей, которые предпочитают располагать детали в своих моделях в соответствии с определенным цветовым схематизмом. Однако следует отметить, что сортировка по цвету может быть менее эффективной при поиске конкретных деталей, особенно когда они разных типов(рисунок 2.2.2 Приложения).

  1. Сортировка по размеру и форме

Детали LEGO также можно сортировать по их размеру и форме. Этот подход позволяет легкое разделение крупных и маленьких деталей, а также деталей с уникальной формой. Например, можно создать отдельные контейнеры для крупных базовых блоков, мелких деталей, шарниров и других специализированных элементов. Такая сортировка помогает экономить время при поиске нужных деталей и упрощает процесс строительства моделей.

2.2 Значимость сортировки деталей LEGO в жизни людей

Сортировка деталей LEGO может показаться тривиальной задачей, однако она имеет ряд значимых преимуществ и влияет на различные аспекты жизнедеятельности людей.

1. Упрощение процесса поиска и создание более организованного окружения. Систематическая сортировка деталей позволяет легко находить нужные элементы, сокращая время, требуемое на поиск и сборку моделей. Организованное хранение также снижает риск потери деталей или их повреждения, упрощает управление коллекцией и облегчает сотрудничество при совместной работе.

2. Развитие навыков планирования и организации. Сортировка деталей LEGO требует от человека способности схематически мыслить, классифицировать и организовывать информацию. Это развивает навыки планирования и организации, которые могут быть полезными во многих аспектах жизни, включая учебу, работу и повседневные дела.

3. Стимулирование творческого мышления. Хотя сортировка деталей LEGO может показаться рутинной задачей, она способствует развитию творческого мышления. При создании системы сортировки необходимо принимать решения, какие критерии использовать и как лучше организовать детали. Это развивает креативные навыки и способность мыслить логически.

2.3 Проблема уборки деталей LEGO с пола

Одной из распространенных проблем, связанных с LEGO, является их рассыпание и падение на пол. Особенно это актуально для тех, кто строит модели на больших поверхностях или играет с LEGO на полу (рисунок 2.3.1 Приложения).

Для более эффективной борьбы с этой проблемой можно применить следующие рекомендации:

1. Использование LEGO базы или коврика: Покупка специальной базы или коврика для LEGO позволяет создать стабильную поверхность, на которой детали будут лежать плотно и не будут соскакивать. Это упрощает процесс строительства и снижает риск падения деталей на пол.

2. Обучение детей правильному обращению с LEGO: Если речь идет о детях, важно обучить их правильному обращению с LEGO. Например, можно учить их не разбрасывать детали, аккуратно подбирать упавшие элементы или использовать лотки или контейнеры для строительства на полу.

3. Правильное расположение рабочего пространства: Важно учитывать местоположение рабочего пространства при строительстве с LEGO. Избегайте размещения вблизи края стола или поверхности, чтобы минимизировать риск падения деталей на пол. Также рекомендуется работать на мягкой поверхности, например, на ковре или коврике, чтобы детали могли несколько поглотить удар и не отскочить далеко.

Глава 3. Принцип работы робота-сортировщика деталей LEGO

3.1 Описание внешнего вида и функциональности робота-сортировщика

Робот-уборщик и сортировщик деталей LEGO использует задний привод и передвигается за счет двух больших моторов(рисунок 3.1.1 Приложения).

Кроме того, есть еще один средний мотор, который отвечает за управление гусеничным механизмом(рисунок 3.1.2 Приложения), используемым для захвата и транспортировки деталей.

Такая конструкция робота позволяет ему эффективно передвигаться по пространству и собирать детали LEGO. Задний привод обеспечивает устойчивость и маневренность робота, а два больших мотора обеспечивают достаточную мощность для передвижения на различных поверхностях. Средний мотор, управляющий гусеничным механизмом, позволяет точно управлять захватом и транспортировкой деталей, обеспечивая эффективную работу робота.

Второй средний мотор отвечает за сортировку деталей с помощью рычага(рисунок 3.1.3 Приложения). Это позволяет роботу точно распределять детали по нужным контейнерам или местам. Рычаг может иметь различные настройки, чтобы обеспечить оптимальную сортировку в соответствии с заданной логикой или критериями(рисунок 3.1.4 Приложения).

Такая функциональность робота-уборщика и сортировщика LEGO делает его очень удобным для автоматизации процесса сборки и сортировки деталей. Он может сэкономить время и усилия, освобождая оператора от монотонной и рутинной работы.

Это позволяет роботу точно распределять детали по нужным контейнерам или местам. Рычаг может иметь различные настройки, чтобы обеспечить оптимальную сортировку в соответствии с заданной логикой или критериями.

Такая функциональность робота-уборщика и сортировщика LEGO делает его очень удобным для автоматизации процесса сборки и сортировки деталей. Он может сэкономить время и усилия, освобождая оператора от монотонной и рутинной работы.

Ультразвуковой датчик, добавленный в роботе-уборщике и сортировщике деталей LEGO(рисунок 3.1.5 Приложения), играет важную роль в обнаружении препятствий вокруг робота. Когда датчик обнаруживает препятствие, он отправляет соответствующую команду большим моторам для выполнения поворота и обхода препятствия.

При получении команды от ультразвукового датчика, большие моторы активируются и вращают колеса или другие механизмы движения робота, чтобы изменить его направление. Это позволяет роботу избежать столкновения с препятствиями и продолжить свою задачу в автоматическом режиме.

Использование ультразвукового датчика в роботе-уборщике и сортировщике деталей LEGO повышает его навигационные возможности и уменьшает вероятность повреждений или сбоев при работе в окружающей среде, где могут быть препятствия(рисунок 3.1.6 Приложения).

    1. Программа для работы робота

Программа для работы робота-уборщика и сортировщика начинается с запуска. Одновременно запускаются 3 части программы. Первая часть отвечает за движение среднего мотора для работы гусеничного механизма. Вторая часть запускает робота на движение вперед и повороты в случае препятствия. Третья программа -это сортировка деталей при помощи датчика цвета и среднего мотора. Программа работает при помощи цикла и переключателя. Если датчик видит красный или желтый цвет , то рычаг срабатывает и перемещает детали в правый контейнер, возвращаясь через секунду в исходное положение. Если датчик видит зеленый или синий цвет, то рычаг срабатывает и перемещает детали в левый контейнер. Сортировка деталей происходит только по цвету.

Заключение

В заключение, наш робот успешно выполняет задачу сортировки деталей по цвету. Этот функционал позволяет упростить процесс классификации деталей и повысить эффективность работы. Однако мы понимаем, что для более точной и полной сортировки необходимо учитывать не только цвет, но и размер деталей.

В связи с этим, в будущем мы планируем внести дополнительные улучшения в наш робот и расширить функционал сортировки. Одно из наших предложений состоит в добавлении модуля, который будет определять размер деталей и учитывать его при сортировке. Это позволит сделать процесс более точным и гибким для различных видов деталей.

В заключение, наш робот успешно выполняет задачу сортировки деталей по цвету. Этот функционал позволяет упростить процесс классификации деталей и повысить эффективность работы. Однако мы понимаем, что для более точной и полной сортировки необходимо учитывать не только цвет, но и размер деталей.

В процессе работы с роботом-сортировщиком деталей мы столкнулись с некоторыми сложностями, связанными с работой конвейера. В процессе сортировки возникали небольшие сбои в передвижении деталей, что приводило к задержкам и ошибкам в сортировке.

Для решения этой проблемы мы планируем провести дополнительные испытания и анализ работы конвейера. Возможно, потребуется оптимизация системы подачи деталей или внесение изменений в протоколы движения.

Нашу модель можно использовать для идеи и реализации в бизнесе.

Список использованных источников

  1. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

  2. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

  3. Lego Mindstorms EV3: https://www.lego.com/mindstorms - Официальный сайт Lego Mindstorms EV3, где вы можете найти информацию о конструкторе и его возможностях.

  4. https://robotbaza.ru/blogs/blog/vse-o-mindstorms-education-ev3

  5. https://yandex.ru/search/?text=программное+обеспечение+для+учащегося+lego+mindstorms+education+ev3+student+edition&lr=55&clid=2270455&win=587&src=suggest_B

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Рисунок 1.1.1 компоненты конструктора Рисунок 1.2.1 программное обеспечение

Рисунок 2.2.1 Сортировка деталей Рисунок 2.2.2 Сортировка деталей по цвету

по их типу

Рисунок 2.3.1 Проблема разбросанных Рисунок 3.1.1 Внешний вид робота

по полу деталей конструктора

Рисунок 3.1.2 Большие моторы Рисунок 3.1.3 Конвейер

Рисунок 3.1.4 Рычаг для сортировки Рисунок 3.1.5 Датчик цвета

Рисунок 3.1.6 УЗД Рисунок 3.2.1 Программа для робота

Просмотров работы: 284