XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
МОДЕЛИРОВАНИЕ РОБОТА-ПЫЛЕСОСА НА ОСНОВЕ ВИБРОИМПУЛЬСНОЙ МАШИНЫ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
В последнее время всё большую популярность набирают робототехнические бытовые устройства, которые облегчают труд и жизнь современного человека: робот-голосовой помощник Алиса, робот- туалет для животных, робот-пылесос и другие. И хотя все они автоматизированы, тем не менее, они не идеальны. Некоторые роботизированные системы нуждаются в доработках и усовершенствованиях.
Наблюдая за работой робота-пылесоса, я выявил то, что он не только нуждается в подготовке пола для уборки, но также имеет проблемы при перемещении через выступы – порожки, которые присутствуют в моём доме. С целью устранения этих недостатков возникла идея создания своей модели этого девайса.
Гипотеза моего проекта: если изменить конструкцию робота - пылесоса, то можно значительно повысить его функциональные возможности: маневренность и проходимость через поверхности с препятствиями.
Изучая техническую литературу, я узнал, что в современном производстве, на транспорте и в медицине достаточно часто используются вибрационные технологии. Они положены в основу работы вибрационных станков, машин, приборов и инструментов. Вибрационная техника существенно отличается от традиционных устройств, но использование вибрационных принципов позволяет значительно повысить КПД устройства. При изучении типов виброимпульсных систем, особое внимание привлекла модель виброимпульской машины с возвратно- поступательным движением или с дебалансным вибратором направленного действия. Было решено взять идею именно такой виброимпульсной системы с целью повышения эффективности передвижения робота – пылесоса.
Цель моего проекта: создание модели робота-пылесоса с использованием виброимпульсного механизма. Для достижения поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:
-
Изучить техническую литературу и узнать, как вибрационные технологии существуют.
-
Познакомиться с устройством и принципом работы робота-пылесоса.
-
Собрать конструкцию виброимпульсного транспортного средства, испытать её в действии.
Методы работы: изучение литературы, моделирование и эксперимент.
Продукт проекта: модель робота-пылесоса с дебалансным вибратором.
II. Устройство и принцип работы робота-пылесоса
Под внешними панелями робота- пылесоса заключено сразу несколько систем, обеспечивающих его функциональность:
-
система перемещения в пространстве, состоящая из двух ведущих колес и одного ведущего ролика;
-
система сбора мусора, в нее входят основная и дополнительные щетки, непосредственно отвечающие за уборку;
-
система фильтрации, очищающая от пыли воздух, который проходит через внутренности пылесоса;
-
система датчиков, которые отвечают за ориентирование робота в пространстве и обеспечивают его безопасность.
Кроме того, (рис.1) в пылесосе стоят несколько электрических двигателей, которые отвечают за работу всех щеток и воздушного потока. Автономность пылесосу обеспечивает аккумулятор, встроенный в корпус, а мозговым центром пылесоса является плата управления.
Рис.1
Устройство и расположение основных функциональных узлов робота-пылесоса
Принцип его работы состоит в следующем: вспомогательные щетки-метелки подают мусор к турбо щётке, которая отправляет его в специальный контейнер.Перемещение робота в пространстве происходит благодаря двум мотор-колёсам, которые представляют собой отдельный самостоятельный узел, включающий в себя электродвигатель и редуктор (рис. 2). Именно колеса, являются слабым звеном робота- пылесоса, т.к. не обеспечивают хорошую маневренность при его перемещении.
Рис.2.
Внешнее и внутреннее строение мотор-колеса
Было решено создать модель, устраняющую этот недостаток девайса, использовав идею виброимпульсной системы движения.
III. Вибрационные технологии и область их применения
Изучение технической литературы показало, что в основе вибрационной технологии лежат эффекты действия вибрации на обрабатываемые среды. Использование вибрационных принципов при создании технологический машин и усовершенствовании рабочих процессов позволяет повысить производительность труда и способствует решению проблемы создания экологически чистых ресурсосберегающих технологий.
Вибрация имеет практическое применение для интенсификации физико-механических или биохимических процессов. С помощью вибрации можно уплотнять или разрыхлять сыпучие смеси, перемещать твердые тела, сыпучие и многофазные среды, перемешивать или разделять фракции различных материалов и жидкостей. Использование вибрации способствует более плотному и качественному формированию железобетонных изделий, облегчает процессы пластического деформирования материалов при прокатке, штамповке, вытяжке. С помощью вибрации осуществляют погружение свай, утрамбовывают грунт и асфальт. Вибрация находит применение в медицинской технике (вибрационные массажеры, стимуляторы), в биологических исследованиях (вибросепараторы), в бытовой технике (электробритвы, краскопульты, насосы).
Виброимпульсную систему движения можно использовать в качестве управления мобильным транспортным средством, что и было использовано в практической части моей работы.
IV. Сборка конструкции виброимпульсного транспортного средства
Для обеспечения движения виброимпульсного механизма в желаемом направлении нужно, чтобы соотношение между силами трения и движущими силами было такое, чтобы максимальное значение движущей силы, действующей в сторону, противоположную направлению движения, не превосходило силы трения. Именно в этом случае механизм будет перемещаться только вперед в моменты времени, когда движущая сила больше силы трения.
Предлагаемая конструкция виброимпульсной платформы транспортного средства изображена на рис. 3 и состоит из электродвигателя (микро вибромотора) с дебалансом 1, установленным на платформу 2. Дебаланс, закреплённый на валу двигателя, вращается с угловой скоростью ω. В результате вращения образуется инерция F, толкающая платформу в определённом направлении.
Рис. 3. Конструкция виброимпульсной платформы
Траектория движения платформы 2 определяется механическими характеристиками микро вибромотора, который представлен на рис.4. и был использован в конструкционной модели
Рис.4
Внешний вид и размеры вибромотора
В качестве подвески вибромашины использовалась щетка 3 (рис. 5), на которую была укреплена виброимпульсная платформа с дебалансным вибродвигателем 1.
Рис.5
Подготовка щётки- подвески
На рисунке 6 изображена схема и внешний вид конструкции виброимпульсного транспортного средства.
Рис.6. Схема и конструкция виброимпульсного транспортного средства
За счет несимметричного расположения щетины, относительно поверхности, механизм перемещается в направлении действия силы F, поскольку сила трения в противоположенном направлении значительно больше.
Движение робота-пылесоса было апробировано на различных препятствиях: картон, пластик, провод. Модель показала хорошую манёвренность при небольших препятствиях.
V. Заключение
Таким образом, в ходе работы над проектом была созданаконструкция, которую можно использовать в роботах – пылесосах. В данной конструкции колесная система перемещения заменяется на вибрационную. В такой модели опорой робота-пылесоса будет являться щетка, выполняющая как функцию устройства по забору мусора, так и функцию средства передвижения. Совмещённые процессы всасывания пыли и одновременного движения такого робота-пылесоса значительно повышают его функциональные возможности и энергетические характеристики.
VI. Список литературы
1. И. Ф. Гончаревич; отв. ред. Э. Г. Гудушаури. Вибрация - нестандартный путь: Вибрация в природе и технике. Наука и технический прогресс. АН СССР. – Москва. 198 с.
2. Блехман И.И. Вибрационная механика. – М.: Физматлит, 1994. 400 с.
3. Пановко Г.Я. Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий: Учеб. пособие для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 192 с.