XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Умные роботы для перемещения грузов в пространстве

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Голубев М.А. 1Гусев И.Ю. 1Карапут С.Д. 1Климушкин Д.А. 1

---

1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"

Попова Е.Е. 1

---

1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"

Работа в формате PDF

2.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность проекта обусловлена несколькими факторами:

Постоянный рост объемов грузоперевозок: современная логистика и производство сталкиваются с постоянно растущим объемом грузов, что требует повышения эффективности и скорости обработки. Автоматизация с помощью роботов позволяет справиться с этим ростом.

Дефицит рабочей силы: во многих отраслях наблюдается дефицит квалифицированных рабочих, готовых выполнять монотонную и физически тяжелую работу, связанную с перемещением грузов. Роботы могут компенсировать этот дефицит.

Повышение требований к скорости и точности: Современные рынки требуют быстрой и точной обработки заказов. Роботы способны работать с высокой скоростью и точностью, превосходя возможности человека.

Снижение затрат: Автоматизация погрузочно-разгрузочных работ позволяет сократить затраты на оплату труда, снизить количество ошибок, связанных с человеческим фактором, и уменьшить потери из-за повреждений грузов.

Повышение безопасности труда: Роботы могут выполнять опасные и тяжелые работы, снижая риски травматизма среди персонала.

Развитие технологий: Появление новых технологий в области робототехники, таких как искусственный интеллект, компьютерное зрение и машинное обучение, позволяет создавать более совершенных и адаптируемых роботов для различных условий эксплуатации.

Увеличение складских помещений: В связи с ростом онлайн-торговли и увеличением объемов хранимых товаров, происходит увеличение складских площадей. Роботы позволяют эффективно использовать пространство складов.

Индивидуализация логистических решений: Роботизированные системы могут быть адаптированы под специфику разных складов и производств, обеспечивая индивидуальные решения для оптимизации логистических процессов.

Цель проекта: разработать и сконструировать эффективную и надежную систему роботизированного перемещения грузов, обеспечивающей автоматизацию погрузочно-разгрузочных работ в пространстве.

Задачи:

- Изучить информацию про подъемные краны, платформы, конвейеры и другие механические устройства для перемещения грузов;

- Рассмотреть примеры построения механизмов для перемещения грузов из LEGO конструктора

- Нарисовать эскизы будущих роботов, запланировать использование определенных механизмов

- Сконструировать, запрограммировать роботов для перемещения грузов в пространстве

- Продемонстрировать запуск перемещения грузов с помощью 4 роботов.

- Презентовать проект

Глава 1 Изучение механизмов и устройств для подъема и перемещения грузов

1. 1. Грузоподъемный кран и его виды

Грузоподъемный кран — это машина, предназначенная для перемещения в пространстве грузов посредством различных грузозахватных органов (крюковой подвески, грейфера, клещевого захвата и т. д.).

Грузоподъемные краны классифицируются по нескольким признакам:

1. Конструкция.

Современная классификация подразумевает разделение всех кранов на 3 типа:

• Стреловые — грузозахватный орган или подвижная тележка расположена на стреле. Представители: башенные, портальные, стреловые краны.

• Мостовые — в качестве опоры для грузозахватного органа выступает подвижный или неподвижный мост, который устанавливается двумя концами на рельсы или неподвижные опоры. Представители: консольные, портальные, полупортальные и козловые краны, а также краны-штабелеры.

• Кабельные — базой для грузозахватного органа служит система канатов, закрепленных на опорах. Используются в основном в горнодобывающей промышленности.

2. Мобильность:

• стационарные — монтируются в месте производства работ на длительный срок и не способны перемещаться самостоятельно;

• радиальные — могут поворачиваться на 360 градусов относительно точки закрепления (обычно стрелового типа);

• переставные — перемещаются с привлечением спецтехники и бригады монтажников, обычно не требуют сложных операций для монтажа/демонтажа;

• самоподъемные — башенные краны, участвующие в возведении высотных зданий;

• передвижные — эта категория включает краны самоходные (способны самостоятельно добраться до места производства работ по дороге или железнодорожному пути) и прицепные (буксируются тягачом).

3. Тип привода:

• ручные (краны малой грузоподъемности, устанавливаемые в производственных цехах и складских помещениях);

• гидравлические;

• электрические;

• пневматические.

Все современные краны, от простейших ручных до сложных грузоподъемных комплексов — это различные комбинации вышеперечисленных подклассов.

Мы подробно рассмотрели козловой кран. Козловые краны – краны мостового типа, мост (пролетное строение) которых установлен на опоры, перемещающиеся по рельсам, установленным на бетонные фундаменты. Козловой кран состоит из трех основных частей: мост крана (пролетная балка), опоры крана (2 пары ног), кабина крана.

Козловые краны по назначению разделяют на 3 вида (Приложение, Рисунок 1.1.1): перегрузочный (общего назначения), строительно-монтажные краны, краны специального назначения.

Козловые краны широко применяются в различных областях: открытые и закрытые производственные цеха, склады, судостроение, сборка гражданских и промышленных объектов.

1. 2. Ножничный подъемник

Устройство ножничного подъемника применимо в нескольких направлениях (Приложение, Рисунок 1.2.1):

• подборщик товара на складе;

• в процессе ремонтных и отделочных мероприятий;

• в процессе монтажных и других видов высотных работ;

• использование в выставочных павильонах, торгово-развлекательных центрах, аэропортах.

Промышленные ножничные подъемные столы – самый популярный и эффективный стиль промышленного подъема. Из-за своей простоты и небольшого количества движущихся частей, втулок, не требующих постоянного обслуживания. Столы с ножничным подъёмом обеспечивают многолетнюю безаварийную работу при относительно небольших капиталовложениях, чем и заслужили широкое признание нашими клиентами.

Механизмы ножничного подъема изготавливаются в широком спектре конфигураций, легко модифицируются путем сужения, расширения, объединения или штабелирования и могут эффективно перемещать грузы любого размера и грузоподъемности на высоту более 10 метров.

Подъемник, сделанный по типу складной конструкции, управляется при помощи пневмобаллона, что обеспечивает плавное и точное поднятие и опускание автомобиля (груза), а также помогает контролировать высоту подъема.

1. 3. Конвейер и его виды

Конвейер — это машина, которая избавляет людей от монотонного таскания коробок или мешков. Грамотно подобранный конвейер — это не просто способ сэкономить на грузчиках, а настоящая рабочая лошадка, которая увеличивает производительность и уменьшает простои.

Любой конвейер, независимо от типа и назначения, состоит из нескольких обязательных элементов:

1. Рама (она же став): крепкая металлическая конструкция из швеллеров или двутавровых балок. По сути, это скелет всей установки, на котором держится вся нагрузка.

2. Привод: двигатель и редуктор, которые запускают ленту или цепь. Чем надежнее привод, тем меньше риска внезапно остановить производство посреди смены.

3. Транспортирующий элемент: это может быть резиновая лента (ленточный конвейер), цепь со скребками (скребковый) или ролики (рольганг, Приложение, Рисунок 1.3.1) Выбор зависит от того, что именно и как далеко вы собираетесь перемещать.

4. Дополнительные узлы: барабаны, ролики, натяжители, очистные щётки — они помогают оборудованию работать стабильно и не «захлебываться» при больших нагрузках.

.

1. 4. Примеры построения механизмов для построения моделей проекта из LEGO конструктора

В течение года мы изучили простые и сложные механизмы, научились их применять в различных моделях и запускать от мотора LEGO WeDo 2.0.

Перед началом конструирования моделей роботов для подъема и перемещения грузов мы повторили основные механизмы (Приложение, Рисунок 1.4.1) и рассмотрели возможность их использования в наших моделях:

• Рычаг и система рычагов (для увеличения силы человека и/или перемещения грузов)

• Зубчатая передача: повышающая (увеличения скорости перемещения), понижающая (уменьшения скорости перемещения и увеличения силы), равнозначная, угловая

• Ременная передача: повышающая, понижающая, равнозначная (для передачи движения на расстоянии)

• Червячная передача (для увеличения силы, прочности)

• Конвейер (для перемещения грузов)

• Лебедка (для подъема и спуска грузов, перемещения грузов)

Мы нарисовали эскизы механизмов и роботов для поднятия и перемещения грузов (Приложение, Рисунок 1.4.2) и приступили к конструированию своих идей!

Глава 2 Создание роботов для перемещения грузов в пространстве

2.1 Конструкция роботов

Мы сконструировали наш проект на базе конструктора LEGO WeDo 2.0. Процесс создания роботов представлен на Рисунок 2.1.1 Приложения. Мы создали 4 разных модели роботов для перемещения грузов горизонтально и вертикально (Рисунок 2.1.2 Приложения).

1. Ножничный подъемник для перемещения грузов вверх и вниз,

2. Конвейер на высоте для перемещения грузов по горизонтали вперед и назад,

3. Козловой кран с лебедкой для подъема вверх и перемещения груза горизонтально

4. Конвейер под наклоном для плавного перемещения грузов вниз и подъема вверх.

Робот 1 Ножничный подъемник для перемещения грузов вверх и вниз

Модель Робота 1 (Рисунок 2.1.3 Приложения) запускается от мотора 1 и поднимает грузы с помощью нескольких механизмов: червячная передача, система рычагов (ножничный механизм), лебедка. Мы выбрали эти механизмы не случайно, платформа с грузом тяжелая и поднимать тяжести сможет система нескольких рычагов, чтобы механизм работал мы взяли очень сильную и прочную червячную передачу,

В модели установлен датчик наклона 1. У него 3 положения:

• положение носом вверх – включает мотор 1 по часовой стрелке: ножничный механизм раскладывается, груз поднимается вверх;

• положение носом вниз – включает мотор 1 против часовой стрелки: ножничный механизм складывается, груз опускается вниз;

• положение ровно – выключает мотор 1: ножничный механизм неподвижен.

Робот 2 Конвейер на высоте для перемещения грузов по горизонтали вперед и назад,

Модель Робота 2 (Рисунок 2.1.4 Приложения) запускается от мотора 2 и перемещает грузы с помощью нескольких механизмов: понижающая зубчатая передача и ленточный конвейер. Понижающую передачу мы установили для того, чтобы уменьшить скорость от мотора и увеличилась сила для перемещения грузов, медленнее и надежнее перемещать грузы. В модели робота мы установили датчик движения 1.

По сигналу датчика движения 1 включается мотор 2 и робот перемещает груз в одну сторону в течение 19 секунд и останавливается.

Робот 3. Козловой кран с лебедкой для подъема вверх и перемещения груза горизонтально

Модель Робота 3 (Рисунок 2.1.5 Приложения) запускается от мотора 3 и поднимает грузы с помощью нескольких механизмов: лебедка, понижающая зубчатая передача, понижающая ременная передача. Двойное понижение (многоступенчаты механизм) позволило не только уменьшить скорость подъема груза, но и увеличить силу от мотора при подъеме. Перемещение кабины крана с механизмами подъема и спуска груза мы осуществляем по мосту крана (балкам) с помощью наших рук (без мотора)

В модели установлен датчик наклона 2. У него 3 положения:

• положение носом вверх – включает мотор 3 по часовой стрелке: лебедка накручивает на катушку трос, груз поднимается вверх;

• положение носом вниз – включает мотор 3 против часовой стрелки: лебедка раскручивает трос, груз опускается вниз;

• положение ровно – выключает мотор 3: останавливается вращение лебедки.

Робот 4. Конвейер под наклоном для плавного перемещения грузов вниз и подъема вверх.

Модель Робота 4 (Рисунок 2.1.6 Приложения) запускается от мотора 4 и перемещает грузы с помощью нескольких механизмов: понижающая зубчатая передача и ленточный конвейер. Плоскость движения ленточного конвейера мы установили под наклоном. Понижающую передачу мы установили для того, чтобы уменьшить скорость от мотора и увеличить силу мотора 4 для перемещения грузов, медленнее и надежнее перемещать грузы. В модели робота мы установили датчик движения 2.

По сигналу датчика движения 2 включается мотор 4 и робот перемещает груз вниз в течение 5 секунд и останавливается.

2.2 Программа и последовательность запусков

Проект мы запускаем от 2 ноутбуков. В каждом ноутбуке мы создали программы для двух роботов. Программы включают в себя несколько подпрограмм с индикацией моторов и датчиков. В программах мы использовали блоки «ожидание» реакции датчиков, блоки «передача данных с помощью писем», блоки «цикл» для многократного повтора. Передача задач между подпрограммами происходит с помощью писем.

С ноутбука 1 запускается Робот 1 и Робот2 (Рисунок 2.2.1 Приложения). Четыре подпрограммы отвечают за работу мотора 1 (индикатор оранжевый) датчику наклона 1 (индикатор красный). Одна подпрограмма конвейера запускает мотор 2 (индикатор голубой) по датчику движения 1 (индикатор зеленый).

С ноутбука 2 запускается Робот 3 и Робот 4 (Рисунок 2.2.2 Приложения). Четыре подпрограммы отвечают за работу мотора 3 (индикатор оранжевый) датчику наклона 2 (индикатор красный). Одна подпрограмма конвейера запускает мотор 4 (индикатор зеленый) по датчику движения 2 (индикатор голубой).

Программы для всех роботов мы запускаем в цикле. Каждый робот ожидает реакцию своего датчика и запускает мотор, срабатывает механизм. Таким образом мы выстроили роботов в определенной последовательности и с помощью датчиков можем запускать роботов по порядку: робот 1 поднимает груз и передает роботу 2, робот 2 перемещает груз до робота 4, робот 3 поднимает груз и перемещает до робота 4, робот 4 опускает груз.

3.3 Демонстрация проекта: перемещение груза

Мы выстроили роботов в определенной последовательности и с помощью датчиков запустили роботов по порядку. Работу своего проекта мы продемонстрировали одноклассникам АНОО «Президентского Лицея «Сириус» и родителям

В момент демонстрации мы взяли 2 груза и переместили их с помощью роботов.

Первый груз положили на Робота 1 Ножничный подъемник, перевели датчик наклона 1 в положение носом вверх, механизм первого робота поднял груз вверх и передал роботу 2.

Робот 2 Конвейер на высоте по датчику движения определил поступление груза и запустил мотор, груз 1 переместил до робота 4.

Робот 4 Конвейер под наклоном обнаружил появление груза 1 и плавно опустил груз вниз.

Робот 3 Козловой кран с лебедкой в это время поднял груз 2, переведя датчик наклона 2 в положение носом вверх, остановил вращение лебедки при положении датчика наклона ровно и переместил по мосту до робота 4.

Робот 4 Конвейер под наклоном обнаружил появление груза 2 и плавно опустил груз вниз.

Так грузы мы смогли переместит из одной точки пространства в другую. Такое перемещение грузов может быть необходимо, например, при разгрузочных/погрузочных работах с одного берега реки на другой берег реки.

Заключение

В рамках этого проекта мы успешно разработали и продемонстрировали роботизированную систему для эффективного перемещения грузов в пространстве. Наша работа охватила все этапы, от исследования существующих технологий до презентации готовой модели.

Сначала мы провели всесторонний анализ существующих решений, изучив подъемные краны, платформы, конвейеры и другие механизмы, чтобы глубоко понять принципы работы различных систем перемещения грузов. Изучение примеров из LEGO конструктора помогло нам развить творческое мышление и понять принципы конструирования.

На следующем этапе мы создали эскизы будущих роботов и спланировали использование определенных механизмов, что позволило нам визуализировать и конкретизировать нашу концепцию. Далее, мы приступили к самому интересному этапу – конструированию и программированию роботов. Мы разработали эффективные алгоритмы управления и движения, обеспечивающие слаженную работу всей системы.

Кульминацией проекта стала успешная демонстрация работы системы с использованием 4 роботов, перемещающих грузы в пространстве. Этот этап продемонстрировал работоспособность нашего решения и его потенциал.

В итоге работа над проектом «Умные роботы для перемещения грузов в пространстве» показала, что мы умеем решать сложные инженерные задачи, от понимания принципов работы механизмов до создания функционирующей роботизированной системы. Полученный опыт станет ценным фундаментом для дальнейших исследований и разработок в области робототехники и автоматизации логистических процессов.

Список литературы и интернет-источников

Список литературы

1. Исогава, Й. Большая книга идей LEGO Technic. Техника и изобретения: Йошихито Исогава. / Й. Исогава // Эксмо. – 2021.

2. Филиппов, С.А. Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. / С.А. Филиппов // Лаборатория знаний. – 2017.

Интернет-источники

3. Грузоподъемные краны: общие понятия и характеристики 

4. Виды грузоподъемных кранов: классификация по основным признакам

5. https://drivebeltsystem.ru/articles/ustroystvo-konveyera-razlichnykh-vidov/?ysclid=mak5efat8n641600809

6. https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=801625

Приложение