Разработка робота для автоматизированного сбора урожая с помощью конструктора Lego Education

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

Личный портфель

Разработка робота для автоматизированного сбора урожая с помощью конструктора Lego Education

Тульчинский Л.Р. 1Шляпников М.Е. 1Голыбдин О.И. 1Вохрамеев З.И. 1
1Школа интерактивного развития "ТриКита"
Долгов Е.А. 1Волокитина Е.А. 1
1Школа интерактивного развития "ТриКита"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Современное сельское хозяйство активно использует технологии автоматизации для увеличения урожайности и снижения трудозатрат. Одним из ключевых направлений является разработка роботов, способных собирать урожай с грядок, минимизируя потери и повреждения плодов. Автоматизированные механизмы помогают сократить время сбора, что особенно важно для скоропортящихся культур.

Разработка робота для сбора урожая с использованием конструктора LEGO WeDo 2.0 позволяет продемонстрировать основные принципы автоматизированных сельскохозяйственных систем. Данный набор позволяет использовать только один мотор и один датчик одновременно, что накладывает ограничения на проектирование, но также даёт возможность разрабатывать эффективные и простые механизмы. В данном проекте робот будет использовать мотор для управления манипулятором и датчик наклона для определения правильного положения механизма.

Цель работы: Разработать роботизированную систему сбора урожая, использующую мотор и датчик наклона, с возможностью программного управления.

Задачи:

  1. Изучить принципы работы автоматизированных систем сбора урожая.

  2. Рассмотреть особенности механизированного сбора различных видов культур.

  3. Изучить влияние автоматизации на эффективность сельского хозяйства.

  4. Разработать конструкцию робота с использованием LEGO WeDo 2.0.

  5. Реализовать систему управления манипулятором с помощью мотора и датчика наклона.

  6. Запрограммировать алгоритм работы робота.

  7. Провести тестирование модели и оценить её эффективность.

Глава 1. Теоретические основы автоматизированного сбора урожая

1.1 Проблемы традиционного сбора урожая

Сбор урожая вручную требует больших трудозатрат и времени. Основные проблемы традиционного метода:

  • Высокие затраты на рабочую силу.

  • Потери урожая из-за несвоевременного сбора.

  • Повреждение плодов при неосторожном обращении.

  • Зависимость от погодных условий и физической выносливости работников.

Кроме того, неравномерное созревание урожая требует многократных сборов, что ещё больше увеличивает расходы. В этом контексте механизированные решения становятся всё более актуальными.

1.2 Автоматизированные системы в сельском хозяйстве

Для решения этих проблем применяются механизированные системы, такие как:

  • Роботизированные манипуляторы – используются для аккуратного сбора овощей и фруктов.

  • Комбайны с автоматическим отделением плодов – применяются для сбора зерновых культур.

  • Дроны для мониторинга полей – анализируют состояние растений и определяют зрелость урожая.

  • Гидропонные и тепличные роботы – ухаживают за растениями в закрытых системах.

  • Роботы с машинным зрением – используют камеры и алгоритмы для различения спелых и неспелых плодов.

1.3 Влияние автоматизации на сельское хозяйство

Автоматизированные системы меняют сельское хозяйство, делая его более эффективным:

  • Повышение производительности – роботы могут работать 24/7 без усталости.

  • Снижение потерь урожая – системы машинного зрения позволяют собирать урожай в оптимальный момент зрелости.

  • Экономия ресурсов – точные алгоритмы снижают расход воды, удобрений и топлива.

  • Уменьшение зависимости от сезонных рабочих – автоматизированные механизмы сокращают потребность в ручном труде.

Глава 2. Практическая часть разработки робота

2.1 Выбор конструкции и элементов

Для создания робота используется LEGO WeDo 2.0. Основные элементы конструкции:

  • Рама и шасси – для передвижения робота по грядкам.

  • Манипулятор с захватом – для сбора урожая.

  • Мотор – управляет движением манипулятора.

  • Датчик наклона – определяет угол наклона манипулятора для правильного захвата плодов.

2.2 Процесс сборки модели

  1. Создание основы робота – сборка мобильной платформы с креплениями для манипулятора.

  2. Установка мотора – крепление мотора для управления движением манипулятора.

  3. Добавление датчика наклона – настройка механизма для определения правильного угла работы.

  4. Программирование робота – настройка алгоритмов движения, захвата урожая и возврата в исходное положение.

  5. Оптимизация конструкции – тестирование различных вариантов движения для повышения эффективности.

2.3 Тестирование работы модели

Испытания проводятся в условиях, приближенных к реальным:

  • Проверка устойчивости робота на разных поверхностях.

  • Тестирование точности определения наклона.

  • Оценка эффективности захвата плодов манипулятором.

  • Корректировка программных алгоритмов для оптимального выполнения задачи.

Заключение

Разработанный робот для сбора урожая на основе LEGO WeDo 2.0 демонстрирует возможности автоматизации сельского хозяйства. Использование мотора и датчика наклона позволяет роботу эффективно находить и собирать плоды, минимизируя потери. Программирование модели помогает оптимизировать процесс сбора и адаптировать его под разные виды культур.

В перспективе возможны усовершенствования конструкции, такие как добавление сенсоров цвета для различения спелых и неспелых плодов, а также расширение функционала манипулятора для работы с разными типами растений. Такие технологии могут значительно повысить эффективность сельскохозяйственного производства, а также способствовать внедрению новых решений в автоматизированное растениеводство.

Кроме того, дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку более сложных систем управления, использующих механические элементы для повышения точности выполнения задач. Таким образом, проект является важным этапом в изучении робототехники и её применения в сельском хозяйстве. Автоматизированные системы сбора урожая помогут снизить потери и обеспечить бесперебойные поставки продукции, делая сельское хозяйство более устойчивым и эффективным.

Список использованных источников и литературы:

  1. Ботаника для садоводов. Д. Ходж, 2019

  2. Умный огород в деталях. Н. И. Курдюмов, 2011

  3. Десять этапов проектирования малого сада. А. Сапелин, 2013

  4. Белая книга садовода для детей. П. Каролина, 2024

  5. Большая книга идей Lego. Машины и механизмы. Й. Исогава, 2021

Электронные источники:

  1. https://education.lego.com/en-us/;

  2. https://good-tips.pro/index.php/house-and-garden/orchard-and-garden/vegetables/plant-growth

Просмотров работы: 17