XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Модульный самовосстанавливающийся бытовой робот уборщик

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ковылев Р.А. 1Ковылев А.А. 1

---

1МБОУ Чкаловская СШ №5

Ковылева Н.С. 1

---

1МБОУ Чкаловская СШ №5

Работа в формате PDF

2.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

АННОТАЦИЯ

В данной работе содержится описание идеи, приведшей к созданию из­делия – модульного робота - пылесоса с функциями самовосстановления; прописаны требования, предъявляемые к конструкции; подробно описан процесс изготовления модели робот - пылесоса; приведено экономическое обоснование проведенной работы.

Суть проектной работы заключается в следующем сегодня моральное старение техники уже часто наступает прежде, чем эта техника дошла до потребителя. Крупные корпорации вынуждены задерживать выпуск новых образцов техники только потому, что ещё не успели окупить продукцию, лишь недавно запущенную в производство. Человек уже не успевает за прогрессом техники.

Спрос на изделия можно значительно повысить, если обратить внимание потребителя на возможность покупаемого устройства самовосстанавливаться при неисправностях.

В связи с этим появилась идея создания самодельного пылесоса, удовле­творяющего нашим запросам к его функциональности и самовосстановлению.

Вес изделия составляет 700 гр. Размеры пылесоса: 215х170х110 мм.

Работа состоит из введения, теоретической и практической частей, выводов и практических рекомендаций, заключения , списка литературы и приложения.

При написании работы было использовано 10 литературных источников.

Объем работы составляет 27 страниц (включая приложения). В тексте проекта содержится 2 таблицы и 9 рисунков (иллюстрации).

Проектная идея состоит в том, что по собственным эскизам нами был изготовлен робот - пылесос, модульной конструкции и с некоторыми функциями самовосстановления. Прибор делался из подручных материалов, что позволило существенно выиграть в цене.

ВВЕДЕНИЕ

У любого изделия есть срок службы. Изготовитель опытным путем устанавливает его. Если неисправность по вине изготовителя появилась в ходе службы изделия, то при наличии гарантийного талона вам могут обменять изделие на новое или же бесплатно отремонтировать. Такие правила ремонта техники действовали в СССР. На Западе они совсем другие — все за свои деньги.

Даже при мелочной неисправности в электронике в центрах обслуживания импортной техники никто не станет искать вышедшую из строя деталь, а просто предложат оплатить новую плату целиком. Это выгодно производителю электроники, выгодно центру обслуживания, но крайне разорительно для потребителя. Как следствие из этого, предпочтение с покупками потребитель стал отдавать более качественным устройствам, но более дорогим. Кроме того сегодня моральное старение техники уже часто наступает прежде, чем эта техника дошла до потребителя. Крупные корпорации вынуждены задерживать выпуск новых образцов техники только потому, что ещё не успели окупить продукцию, лишь недавно запущенную в производство. Человек уже не успевает за прогрессом техники. Спрос на изделия можно значительно повысить, если обратить внимание потребителя на возможность покупаемого устройства самовосстанавливаться при неисправностях. Конечно, в компоновке изделия потребуется установить дополнительный блок, контролирующий работоспособность устройства и самостоятельно действующий при ремонте или использовать самовосстанававливающиеся материалы. Кстати, ремонт в идеале должен происходить без разборки самого устройства.
Роботостроение сегодня популярно. Оно развивается и постепенно проникает во все области жизни. Основная цель этих машин — помогать человеку, выполняя за него работу. Собственно, эта функция заложена в роботах «исторически». И если раньше роботы могли выполнять роль человека, замещая его на заводах, где часто требуются однообразные действия при конвейерном производстве, например при производстве автомобилей, то теперь наступили времена, когда бытовые роботы способны оказаться и в каждом доме, чтобы помогать человеку решать насущные задачи, и способствовать экономии наших времени и сил.

Бытовые роботы, предназначенные для помощи человеку в его повседневной жизни, набирают все большую популярность, что вовсе не удивительно, ведь разнообразие роботов растет с каждым годом. Уже сегодня это и пылесосы, и газонокосилки, и мойщики окон, и чистильщики бассейнов, и даже снегоуборочные роботы.

А что если у вас будет бытовой прибор, который не ломается? Мы решили попробовать выполнить макет робота - пылесоса с функциями самовосстановления.

Основная цель работы – изготовление самодельного робот - пылесоса с модульной конструкцией и с функ­циями самовосстановления.

В процессе работы необходимо решить следующие задачи:

1. разработать эскиз будущего изделия;

2. подобрать/приобрести необходимые материалы;

3. выполнить сборку пылесоса;

4. пронаблюдать за функциональными возможностями готового изде­лия, в случае необходимости внести коррективы в конструкцию;

5. продумать самовосстанавливающие функции для данной модели.

6. усовершенствовать свои умения и навыки в области конструирова­ния и электротехники.

Глава1 Надежность и самовосстановление роботов.

Человек находится на перепутье сложной проблемы.

Что выбрать? Создавать специализированных роботов для разных условий работы, или стремиться делать универсальных, пригодных к любым условиям?

Любой специалист по роботам скажет сразу – вопрос некорректен.

Нужны разнообразные роботы, от роботов манипуляторов, специальных летающих роботов и глубоководных роботов, до аналогов животных и человекоподобных роботов. Сегодня на горизонте появились микро и нанороботы со своим кругом задач. Слишком широк круг планируемых работ, чтобы все мог выполнять один универсальный робот.

А с другой стороны? Спектр задач увеличивается, условия самостоятельности действий робота в разных средах постоянно расширяются. Это приводит к усилению универсальности когда-то очень специализированных роботов. И чем дальше, тем больше. Роботы начинают походить на какие-то биологические прототипы. Так диктует необходимость. Природа давно отработала разнообразные кинематические схемы движения, защитные средства для внутренних устройств автомата, датчики контроля поверхности автомата и системы контроля внешней среды….

Мимо этого информационного массива давно готовых, проверенных технических решений пройти невозможно. И роботы начинают закрываться защитными экранами от удара, гибкими оболочками от попадания жидкости и пыли во внутренние системы, покрываться сенсорными датчиками, регулирующими скорости перемещения и усилия давления при движении, контроля созданного давления на переносимые грузы и пр.

Это и есть движение к универсальности роботов.

Конечно, какое-то разнообразие роботов будет оставаться всегда, но оно всё время будет стремиться сжаться до нескольких основных вариантов универсальности, до системы из пары десятков типоразмеров универсальных роботов, от микро и нанороботов, до макроразмерных роботов, в том числе и межзвездного транспорта. Правда, будет это, ой, как не скоро.

Но эту, пусть пока и очень далекую цель надо держать в голове уже сегодня.

Теперь немного об автономности и поддержании работоспособности.

Технические способы увеличения надежности работы тех или иных сложных механизмов мы, в общем, знаем. Если мы говорим о модульных сложных системах управления, то прежде всего на ум приходит дублирование модулей, а то и комплектов целиком. Дублирование позволяет при возникновении неисправности в основном канале системы управления быстро перейти с неисправного канала управления на резервный, и таким образом сохранить работоспособность машинного комплекса. Дублирование или резервирование до последнего времени широко используется в машинных комплексах управления и вычисления, требующих повышенной надежности для сохранения своей работоспособности.

Ну, а если дублирование на уровне целых каналов управления или отдельных блоков уже нецелесообразно? Сегодня вся вычислительная машина, за исключением нескольких её частей или блоков, уже имеет высокие показатели надежности.

Тем самым мы подошли к осознанию понимания проблемы реальной самостоятельности, самовосстановления и самовоспроизводимости роботов без участия человека. Для начала решили узнать какие самовосстанавливающиеся роботы и системы существуют на данный момент.

1.1 Виды самовосстанавливающихся роботов и технологий

1.1.1 Робот научился чинить себя сам. Просто дайте ему немного тепла

Инженеры Свободного университета Брюсселя (VUB) в Бельгии создали полимерного робота-руку, способного самовосстанавливаться после повреждений, будь то разрыв или порез. Для этого ему нужно только немного тепла.(рис.2)

«Полимер состоит из множества нитей, которые соединяются друг с другом, чтобы сформировать материал. Под воздействием тепла они перенастраиваются держаться вместе, не оставляя никаких слабых мест», - поясняют разработчики

Мягкие материалы хорошо подходят для уборки деликатных вещей, таких как фрукты или овощи, и, возможно, новой разработке найдут применение в пищевой промышленности. Кроме того, такие роботы полезны для работы рядом с людьми, например, на заводах, где применение мягких роботов или манипуляторов поможет избежать несчастных случаев.

Теперь брюссельские инженеры хотят сделать функцию самовосстановления автоматической путем усовершенствования материала или роботов – так, чтобы они смогли сами применять тепло.

Рис. 1. Полимерная робот-рука, способная самовосстанавливаться

1.1.2 Электроника будет ремонтировать себя сама

Команда инженеров из университета Иллинойса разработала систему самовосстановления, которая восстанавливает электрическую проводимость треснутой схемы за меньшее время, чем требуется, чтобы моргнуть. Во главе с профессором авиационно-космической инженерии Скоттом Уайтом и профессором материаловедения и инженерии Нэнси Сотос, исследователи опубликовали свои результаты в журнале Advanced Materials.

"Это упрощает системы", сказал профессор химии Джеффри Мур, один из авторов статьи. "Вместо того чтобы встроить систему диагностики, этот материал предназначен, чтобы решить саму проблему". (рис.3)

Рис.2 Самовосстановление полимерных материалов

Поскольку электронные устройства развиваются для выполнения более сложных задач, производители стараются как можно плотнее заполнить чип. Тем не менее, такая плотность соединений снижает надежность. Поломка в любой точке цепи может отключить все устройство.

"В целом существует не так много возможностей для ремонта вручную", говорит Сотос. "Иногда вы просто не можете добраться до внутренней части. Нет безопасного способа вскрыть многослойную схему. Как правило, вы просто замените весь чип. Это справедливо и для батарей тоже. Вы не можете разобрать аккумулятор и попытаться найти источник неполадок".

Команда Иллинойса ранее разработала систему для самовосстановления полимерных материалов и решила адаптировать свою технику к электронике. Они поместили крошечные микрокапсулы, 10 микрон в диаметре, на поверхность золотой линии, функционирующей как схема. Когда появляется трещина, микрокапсулы распадаются и выпускают жидкий металл, который заполняет разрыв в цепи, восстанавливая электрический поток.

Проходит не более нескольких микросекунд, прежде чем жидкий металл заполнит трещины. Исследования показали, что 90% образцов восстановили изначальную проводимость на 99%, даже с небольшим количеством микрокапсул.

Стоит также отметить, что открываются только микрокапсулы, находящиеся в области разрыва, так что ремонт происходит только в месте повреждения. Кроме того, он не требует вмешательства человека или диагностики, что идеально для участков, где доступ к повреждению невозможен, или, когда сложно найти источник неполадки.

1.1.3 Самовосстанавливающийся предохранитель

Американцы придумали самовосстанавливающийся предохранитель без единой электронной детали внутри!

Американцы для своего предохранителя «Polymeric Positive Temperature Coefficient» использовали полимер с кристаллами технического углерода. (рис.5) При обычной температуре полимер хорошо кристаллизован и пропускает электричество. При нагреве расстояние между кристаллами углерода начинает постепенно увеличиваться, отключение устройства от сети происходит не рывком, а плавно. В дальнейшем полимер остывает и предохранитель снова готов к работе. Иными словами, сложная электроника успевает подготовиться к отключению электричества и плавно запуститься снова без участия человека.

Рис.3 Предохранитель «Polymeric Positive Temperature Coefficient»

Глава 2 Создание модели робота - пылесоса, с функциями самовосстановления.

2.1 Требования, предъявляемые к конструкции

Конструкция должна быть

• безопасной (чтобы человек, работающий с ним, не поранился);

• оригинальной (чтобы удовлетворить требования заказчика);

• несложной в изготовлении (пылесос собирался в домашних усло­виях);

• изготовленной с минимальными экономическими затратами (иначе зачем собирать, можно просто купить!);

• мобильной (чтобы пылесос можно было перемещать в любое место квартиры);

• компактной (чтобы пылесос можно без проблем хранить)

• самовосстанавливающейся (иметь элементы самовосстановления конструкции)

2.2 Рациональное решение

Прежде чем приступить к выполнению эскиза готового изделия, мы оза­дачились вопросом: набором каких функций должен обладать наш пылесос?

Во-первых, решили, что пылесос, прежде всего, должен иметь функцию всасывания воздуха.

Во-вторых, модель робот- пылесоса должна иметь элементы самовосстановления. Изучив теоретический материал, решили использовать в роботе - пылесосе самовосстанавливающие предохранители, в корпус внедрить микрососудистую сеть, а также применить модульную конструкцию к нашей модели.

В-третьих, размер и вес пылесоса должны позволять без особых усилий перемещать его по квартире, обеспечить удобство его хранения.

2.3.2. Перечень материалов для изготовления пылесосапредставлен ниже. (рис 7)

1. Пластиковая бутылка

2. Вентилятор от старого фена

3. Соединительные провода

4. Сетка

5. Крышка от контейнера

6. Кнопочный выключатель

7. Гнездо для подзарядки

8. Мотор-редуктор с колесом (4шт)

9. Плата - мотор для управления двигателями для Ардуино L293D

10. Аккумуляторные батарейки 3,7 v (2 шт)

11. Плата Arduino Uno

12. Servo motor

13. Ультразвуковой модуль измерения дальности HC SR04

14. Двигатель постоянного тока 6 В

15. Кнопка включения

16. Гнездо для подразядки

17. Уголки и тройник пластиковые

Рис.5 Материалы для создания макета изделия

2.3.3. Сборка конструкции.

• Взяли пластиковую бутылку и отрезали донышко

• Отрезали кусок сетки под размер диаметра бутылки с запасом и такого же диаметра обруч от той же бутылки толщиной 5 мм, приклеили сетку к обручу на супер - клей, вставили в бутылку также зафиксировав с помощью клея.

• Взяв двигатель постоянного тока 6 В, припаяли к нему самовосстанавливающийся предохранитель и соединительные провода (с помощь взрослого), и насадили на него вентилятор от старого фена.

• Всю конструкцию с вентилятором вставили в отрезанный конец бутылки, зафиксировав термоклеем и проделав в бутылке отверстие под выход проводов.

• Взяли 4 мотора - редуктора с колесами и припаяли к ним соединительные провода. (с помощь взрослого)

• Взяв прямоугольную крышку от контейнера, приклеили к ней 4 мотор - редуктора с колесами на термоклей.

• Взяв серво привод, приклеили к нему ультразвуковой модуль измерения дальности HC SR04 также при помощи термоклея.

• Соединив плату - мотор L293D с платой Arduino Uno, запрограмировали с помощью программы Arduino (код можно посмотреть в приложении1)

• Соединили между собой аккумуляторные батарейки 3,7V, кнопку включения и гнездо для подзарядки с помощью соединительных проводов и паяльника (с помощь взрослого)

• Распределив на крышке серво привод, запрограммированную плату Arduino Uno, аккумуляторные батарейки 3,7V, кнопку включения и гнездо для подзарядки, соединили все по схеме (рис. 6)

• Взяв полипропиленовые уголки и тройник, выполнили насадку для нашего робот - пылесоса.

• Соединили насадку и горлышком бутылки при помощи изоленты, зафиксировали бутылку на крышке с помощью термоклея и подсоединили провода к плате - мотору L293D.

• Для эстетического внешнего вида, закрыли все под прозрачный контейнер.

• Проверили работоспособность самодельного робот - пылесоса.

Рис.6 Схема сборки модели робота - пылесоса

Осталось придать нашей модели пылесоса функции самовосстановления.

• Наша модель робот - пылесоса обладает модульной конструкцией, которая позволяет изолировать и отремонтировать поврежденный компонент, не вызывая каких-либо сбоев в работе других компонентов робота.

• В нашем модели нужно использовать самовосстанавливающиеся предохранители, в которых  при срабатывании (скачке напряжения) изменяется структура материала, но полного разрушения не происходит. После остывания устройства его функционал восстанавливается.

• Несущую конструкцию (пластиковый корпус) решили защитить с помощью микрососудистой сети (у нас использована светодиодная нить). Микрососудистая сеть автономно реагирует на разрушение материала, например, на трещины. После выявления повреждения контролируемые клапаны или капиллярное воздействие высвобождают лечебный материал из резервуаров или камер микрососудов в поврежденную область. Заживляющее средство проникает и закрывает трещины, восстанавливая целостность конструкции.

• Наша модель робот - пылесоса с функциями самовосстановления полностью готова!

Итог выполнения данной последовательности действий по изготовлению самодельногопылесоса – представлен в приложении 2.

Усовершенствованная версия робот - пылесоса с функциями самовосстановления представлена в приложении 3.

2.4 Экономические расчеты

Финансовые расходы на сборку самодельного робота - пылесоса представлены в приложении 4.

ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Серия наблюдений за функциональными возможностями готового изде­лия показала, что робот - пылесос с функциями самовосстановления достаточно прост и удобен в использовании.

В качестве практических рекомендаций отметим следующие моменты:

• самодельный пылесос с функцией всасывания и модульной конструкцией можно предложить изго­товить тем людям, которые не хотят тратить много денег на покупку пылесо­са с такой же функцией в магазине, так как его достаточно легко можно сде­лать из любых подручных средств, также используя плату Ардуино Uno с комплектующими - самое главное иметь желание выполнить и в этом разобраться;

• робот - пылесос прост в изготовлении, так как всё склеивать, соединять, изо­лировать умеет каждый - единственная сложность состоит в соединении проводов, но этому всегда можно научиться, главное - не стесняться обра­щаться за помощью к знающим людям;

• пылесос очень прост в использовании - нужно просто включить его, нажав включатель.

• с функциями самовосстановления и модульности, будет возможность использовать прибор долгое время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа над проектом продолжалась с января по март 2024 года. Не­посредственная сборка готового изделия (вместе с подбором и приобретени­ем материалов) заняла полтора месяца, после чего была проведена серия на­блюдений за функциональностью собранной конструкции.

Наблюдения показали, что наша версия пылесоса оказалось вполне удобной для использования. Также наша модель имеет модульную конструкцию, которая позволяет изолировать и отремонтировать поврежденный компонент, не вызывая каких-либо сбоев в работе других компонентов робота.Несущую конструкцию (пластиковый корпус) решили защитить с помощью микрососудистой сети (в модели у нас она заменена светодиодной нитью). Микрососудистая сеть автономно реагирует на разрушение материала, например, на трещины. После выявления повреждения контролируемые клапаны или капиллярное воздействие высвобождают лечебный материал из резервуаров или камер микрососудов в поврежденную область. Заживляющее средство проникает и закрывает трещины, восстанавливая целостность конструкции. Если создавать оригинал с нашей модели, нужно будет приобретать и внедрять в корпус настоящую микрососудистую сеть.

Единственное, над чем еще нужно поработать – это внешний вид при­бора. Именно этим мы и планируем заняться в самое ближайшее время.

Себестоимость нашей конструкции составила 2596 рублей.

Поставленная цель достигнута, все задачи решены.

Мы предлагаем вам 5 необычных, но очень практичных способов использовать пылесос. (приложение 5)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бытовые роботы, меняют нашу жизнь уже сегодня. [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://powercoup.by

2. Мартынова И.О. Электротехника: учебник [Текст] / И.О. Мартыно­ва. - М.: Кнорус, 2015. - 304 с.

3. Обзор самовосстанавливающейся программной робототехники [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.942f8e03660053faf150450574722d776562/https/www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2023.1202584/full

4. Робот научился чинить себя сам. Просто дайте ему немного тепла [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://futurist.ru/news/4118-zazhivaet-luchshe-chem-na-sobake-kak-robota-nauchili-samostoyatelyno-ustranyaty-povrezhdeniya

5. Самовосстанавливающиеся материалы [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: http://forum.cxem.net/index.php?/topic/124168-как-заставить-пылесос-выдувать/.

6. Самовосстанавливающийся робот[Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://www.tadviser.ru/index.php

7. Самовосстанавливающиеся предохранители. Мифы и реальность[Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://habr.com/ru/articles/254339/

8. Созданы роботы, способные к самовосстановлению [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://mastergrad.com/blogs/post/9146/

9. Технология «самовосстановления автомобиля» [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://oane.ws/2020/01/03/v-izraile-razrabotali-tehnologiju-samovosstanovlenija-avtomobilja.html

10. Ученые создали робота-рыбу, умеющую самовосстанавливаться. [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://rusfishjournal.ru/news

11. Электроника будет ремонтировать себя сама [Электрон. ресурс]. - Режим дос­тупа: https://hi-tech.mail.ru/news/7253-Self-healing_electronics/

Приложение 1

Код для программирования платы Arduino Uno

Приложение 2

Приложение 3

Рис.8 Усовершенствованная версия робот - пылесоса с функциями самовосстановления

Приложение 4

Таблица 1. Финансовые затраты

Минимальная цена на подобные роботы - пылесосы (аккумуляторные с 4 двигателями) в Интернет - магазине составляет 4 805 руб. Максимальная же цена составляет 38 500 рублей.

Стоимость самодельного пылесоса могла бы быть больше, если бы у нас в наличии не было некоторых деталей (например, вентилятора от фена, соединительных проводов, пластиковых уголков или кнопочного выключателя), их тогда пришлось бы приобретать дополнительно.

Если учесть, что наша модель имеет модульную конструкцию, а также функции самовосстановления корпуса пылесоса, то данная модель будет стоит в разы дороже. Мы, к сожалению, не нашли бытовой пылесос с функциями самовосстановления в Интернет - магазинах. Зато нашли другой бытовой прибор - самовосстанавливающуюся машину, для изготовления пельменей стоимостью 95 935 руб.(рис.11)

Рис. 9 Самовосстанавливающаяся машина, для изготовления пельменей

Предполагаем, если сделать нашу модель робот- пылесоса оригинальной, она бы стоила примерно в таком диапазоне 75 000- 95 000 руб.