XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Умный робот «Кёрн» на базе конструктора MINDSTORMS EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ахметов Д.Ж. 1Кудайбергенов А.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Будрёнкина А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

На стадии поиска нефти и газа производится бурение поисковых скважин с целью открытия месторождений. Первые поисковые скважины для изучения всей толщи осадочных пород бурят, как правило, на максимальную глубину. После этого поочередно разведуют каждый из «этажей» месторождений, начиная с верхнего. Помогает в этом особый образец-кёрн. 

Выемка коробок с керном из ячейки должна осуществляться строго по одной, однако керн достаточно увесистый и его перемещение требует больших физических трудозатрат.

 Проблема исследования заключается в том, что не смотря на разнообразие специалистов и их различные физические возможности, в лабораториях и исследовательских центрах не используется техника позволяющая облегчить работу с тяжелыми материалами, такими как керн. Для нас данная проблема актуальна, так как Тюмень считается нефтегазовой столицей России, и мы видим перспективу своего развития в будущем в нефтегазовой отрасли.

Наша команда поставила перед собой цель- создание эффективного прибора позволяющего сократить физические трудозатраты при работе с анализом керна. 

Мы поставили перед собой следующие задачи, для достижения цели:

-изучить способы хранения и транспортировки керна в лабораториях;

-создать роботизированную систему, предназначенную для безопасной транспортировки керна в рамках лаборатории;

-проанализировать эффективность умного робота «Кёрн» на базе конструктора MINDSTORMS EV3

-продемонстрировать возможности на примере одной доставки керна из кернохранилища в лабораторию при помощи умного робота «Кёрн» на базе конструктора MINDSTORMS EV3

-проанализировать эффективность использования умного робота «Керн».

В процессе работы над проектом мы использовали несколько методов работы, а именно: анализ литературы, беседа с экспертами, тестирование комплектующих модели, анализ эффективности работы модели.

Так же использовали следующие источники:

-LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов;

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

- Lego удивительные творения;

-https://geoinfo.ru;

-https://studfile.net/.

Глава 1. Теоретическое обоснование создания умного робота «Кёрн» на базе конструктора MINDSTORMS EV3.

1. 1. Способы хранения и транспортировки керна в лабораториях

Керн представляет собой цилиндрический столбик, который извлекают в результате бурения с целью последующего исследованияпороды. [4]

В первую очередь, мы решили подробнее узнать в каких условиях должен храниться керн.

Согласно ГОСТ 12071-2014 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов", хранение упакованного керна должно осуществляться в специальном помещении при влажности 70-80% и температуре от +2 до +10 градусов».[5]

Данные условия позволяют сохранить необходимую для исследований влажность и пробы остаются более долгое время пригодны для изучения.

Так же мы выяснили, что положение кернов тоже должно быть определенным.

 После изъятия керна из трубы, он раскладывается в керновые контейнеры в определённой последовательности нахождения его в геологическом разрезе скважины. [4] (Приложение, Рисунок 1.1.1)

В ячейках стеллажей хранят по высоте не более 7 коробок с керном, которые во избежание деформации должны размещаться строго друг на друге по вертикали.

В лабораториях создают специальные стеллажи, позволяющие выполнить все необходимые условия. (Приложение, Рисунок 1.1.2)

Транспортировка керна внутри лаборатории происходит непосредственно лаборантами. По стеллажам распределяется керн при помощи вилочного погрузчика, отдельные коробы с керном могут переноситься вручную и при помощи грузовых тележек. [4] (Приложение, Рисунок 1.1.3)

Данный вид транспортировки требует умения работы со специализированной техникой или большой физической силы.

1.2. Экономическое обоснование создания умного робота «Кёрн»

Данная таблица была составлена нами для более полного представления о рациональности оптимизации процесса транспортировки кёрна в лабораториях.

Глава 2. Модель умного робота «Кёрн» на базе конструктора MINDSTORMS EV3

2.1 Конструкция модели робота «УР-Кёрн»

Умный робот-Керн собран на базе конструктора MINDSTORMS EV3.

В модели управление осуществляется за счет модуля, передвигается робот при помощи двух больших моторов на колесном ходу. Регулируют его движение два датчика цвета. (Приложение, Рисунок 2.1.1)[1]

Третий большой мотор позволяет изменять положение манипулятора по вертикали. (Приложение, Рисунок2.1.2 )

Средний мотор управляет захватом манипулятора, который работает при помощи червячной передачи и системы рычагов. Концы захвата оснащены прорезиненными деталями для лучшего сцепления с керном. (Приложение, Рисунок 2.1.3) [3]

Принцип действия у робота прост, по нажатию одной из кнопок модуля он едет до заданного «перекрестка»-места где ему нужно развернуться и забрать необходимую пробу. Затем он возвращается и отдает ее лаборанту. (Приложение, Рисунок 2.1.4) [2]

В нашей модели использовано два датчика цвета обеспечивающих равномерное перемещение робота в лаборатории. Мы выбрали принцип движения робота по черной линии ,так как считаем его наиболее стабильным и удобным для работы в большом пространстве кернохранилища. (Приложение, Рисунок 2.1.5)

2.2 Управление моделью умным роботом «Кёрн»

В нашей программе мы использовали возможность конструктора своего блока. Каждый новый блок это заданная роботу задача-взять керн из определенного места. По сигналу кнопки модуля «Вверх» запускается программа «kern1». (Приложение, Рисунок 2.2.1)

При нажатии кнопки «Вниз» запускается программа «kern_2».(Приложение, Рисунок 2.2.2)

Основная программа-цикличная, с использованием переключателя. (Приложение, Рисунок 2.2.3)

2.3 Демонстрация возможностей умного робота «Кёрн» на примере одной доставки керна из кернохранилища в лабораторию

Использование робота планируется в лабораториях при кернохранилище. Робот должен передвигаться вдоль черной линии, считая условные перекрестки. Считая перекрестки, робот едет до определенного стеллажа разворачивается и снимает необходимый образец и подвозит к столу для изучения.

Робот должен находиться на исходной точке, лаборант, в зависимости от необходимого стеллажа, нажимает на одну из клавиш, задавая вектор пути роботу и место забора кёрна.

Робот начинает путь вдоль линии до указанных координат, забирает кёрн при помощи манипулятора, и отвозит его к столу для дальнейшего исследования.

Лаборант при этом может готовить необходимое для исследования оборудование не тратя время и силы на транспортировку кёрна.

2.4 Экспериментальное доказательство эффективности умного робота «Кёрн»

Наша команда решила провести качественный эксперимент и убедиться в стабильности работы «УР-Керн».

Мы запустили робота 10 раз с исходной точки, используя поочередно выбранные нами кнопки управления модулем.

Робот показал успешный заезд в 9 из 10 случаев, в неудачном он не смог до конца развернуться и вернуться в исходное положение с заданной скоростью. Однако в 9 из 10 случаев он стабильно сработал, что дает нам основание считать модель эффективной.

Заключение

На стадии поиска нефти и газа производится бурение поисковых скважин с целью открытия месторождений. Первые поисковые скважины для изучения всей толщи осадочных пород бурят, как правило, на максимальную глубину. После этого поочередно разведуют каждый из «этажей» месторождений, начиная с верхнего. Помогает в этом особый образец-кёрн. 

В большинстве случаев отбор керна производится при бурении породы полой стальной трубой. 

 После изъятия керна из трубы, он раскладывается в керновые контейнеры в определённой последовательности нахождения его в геологическом разрезе скважины. Весь поднятый керн детально описывается и передаётся на хранение в кернохранилище.  В дальнейшем керн исследуется и анализируется. 

В кернохранилище должна поддерживаться определенная температура, а так же особое расположение керна. В ячейках стеллажей хранят по высоте не более 7 коробок с керном, которые во избежание деформации должны размещаться строго друг на друге по вертикали.

Выемка коробок с керном из ячейки должна осуществляться строго по одной, однако керн достаточно увесистый и его перемещение требует больших физических трудозатрат.  Проблема исследования заключается в том, что не смотря на разнообразие специалистов и их различные физические возможности, в лабораториях и исследовательских центрах не используется техника позволяющая облегчить работу с тяжелыми материалами, такими как керн. 

Наша команда поставила перед собой цель- создание эффективного прибора позволяющего сократить физические трудозатраты при работе с анализом керна.  

По сигналу кнопок управления модулем умный робот Керн перемещается к первому или второму шкафу, забирает пробу и привозит ее в исходное положение. Помогает в этом ему колесный ход, датчики касания, благодаря которым он едет вдоль линии и система рычагов у манипулятора, позволяющая захватывать вертикально расположенный керн. Данный робот оптимизирует работу кернохранилища, позволяет не прикладывать физические силы и экономит время сотрудников.

Для упорядочения программы мы использовали конструктор блока и переключатель. 

Что бы доказать эффективность нашего робота мы провели количественный эксперимент- запустили нашего робота 10 раз и проверили сколько раз он выполнит программу беспрекословно. В 9 из 10 случаях робот сработал успешно, что дает нам право считать его эффективным. 

Список 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://geoinfo.ru;

5. https://studfile.net/.

Приложение