XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот-пылесос на базе конструктора LegoWeDo 2.0
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Наверняка, мало, кто в век технологий любит прибираться и постоянно наводить чистоту. Но это так необходимо, ведь дома и на работе мы проводим большую часть нашей жизни, а там всегда должен быть порядок. Уборка является комплексом действий, необходимых для обеспечения чистоты в промышленных, коммерческих и бытовых помещениях. Она включает в себя основные аспекты гигиены, контроль безопасности и порядка, а также улучшения с эстетической точки зрения.
Уборка бывает:
-
Промышленная – уборка помещений и территорий организаций. Уборка в организациях может проводится как нанятым персоналом, так и клининговыми компаниями. Такой вид уборки должен соответствовать требованиям санитарных норм, внутренних регламентов организации и утвержденному графику.
-
Домашняя уборка проводится в частных жилых помещениях или на частной территории (квартиры, частные дома). Её цель обеспечение нормального уровня гигиены, удобства и комфорта жизни частного лица.
Обычно люди проводят уборку и поддерживают хозяйство в чистоте своими силами, в некоторых случаях силами домашнего персонала или обращаются за услугами клининговых компаний. Уборка может осуществляться как вручную, так и при помощи механизмов и роботов.
Уборщик – это специалист, который занимается уборкой внутренних помещений и территорий. К этой категории относятся специалисты, владеющие всеми самыми современными средствами уборки, включая технические новинки.
Актуальность темы:
Поэтому в связи с стремительным развитием технологий, стали так актуальны новые возможности уборки для упрощения жизни человека. И мы задумались, как же мы, дети, можем упростить работу по уборке себе, маме, 3 педагогам в развивающих центрах или нанятым людям? Возможно, мы можем сделать уборку намного легче и веселее с помощью домашнего робота-помощника.
Цель исследования: Создание домашнего робота-пылесоса для уборки мусора и дезинфекции помещения.
Задачи исследования:
1. Рассмотреть использование бытовых роботов в нашей повседневной жизни;
2. Проанализировать основные функции роботов-пылесосов, а также их виды и особенности применения;
3. Придумать и смоделировать домашнего робота-пылесоса на базе конструктора LegoWeDo.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].
2Глава 1. Теоретическая часть материала по теме исследования
1.1 Бытовые роботы как часть нашей повседневной жизни.
В наше время наибольшую популярность приобретает роботостроение. Оно развивается и постепенно проникает во все сферы нашей жизни. Основная цель роботов — помогать человеку, выполняя за него чаще рутинную работу. 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 эффективной экономии наших времени и сил.
Рассмотрим несколько роботов, предназначенных для различных бытовых применений, посмотрим, как они работают, что могут, как их нужно использовать, и легко ли с ними обращаться.
Роботы-газонокосилки
Устройство требует подключения сетевого адаптера, либо применения специально устанавливаемой базы для пополнения заряда. Робот газонокосилка обладает компактными габаритными размерами и при работе довольно бесшумен.
Устройство и принцип работы
Робот-газонокосилка представляет собой небольшой самоходный аппарат на трёх, либо четырёх колёсах, обычно в корпусе из пластика. В комплектации обязательно предусмотрены блок управления и аккумулятор для автономного функционирования устройства. Некоторые модели роботов работают в соответствии с заданным режимом, автоматически покидая зарядную станцию в установленное время и возвращаясь на неё. Длительность автономной работы зависит от типа и ёмкости аккумуляторной батареи, рельефа поверхности земли и влажности травы.
Виды роботов для кошения газона
Роботы-газонокосилки работают автономно благодаря встроенной аккумуляторной батарее и процессору, который отвечает за управление действиями данных устройств. Также косилки могут работать на гибридном питании совместно с солнечными батареями.
Все разновидности автоматических газонокосилок по способу определения рабочей зоны подразделяются на два типа:
-
роботы премиум- класса, оснащённые датчиками травы;
-
модели среднего и бюджетного ценового сегмента, требующие применения ограничительного кабеля.
Робот-мойщик окон
На сегодняшний день роботы-стеклоочистители разделяют на 3 основные группы:
1. Магнитные
2. Вакуумные
3. Ручные
Магнитный робот
Преимущества данного вида стеклоочистителей:
1. Не падают с окна при отключении электроэнергии.
2. Меньшее потребление электроэнергии.
Недостатки более весомые:
1. Подходят только для мытья окон, из-за того, что крепятся с двух сторон. Помыть плитку, стеклянные двери или другие вертикальные поверхности магнитные роботы не могут.
2. Более сложная установка на стекло.
3. Ограниченность в условиях применения: толщина стекла должна быть не менее 5, но и не более 28 мм. К сведению, стандартная толщина стеклопакета составляет 40 мм, на таких окнах мойщик не сможет работать (а точнее держаться).
Вакуумные роботы для мойки окон по форме могут быть какими угодно: овальными, D-образными и квадратными. Принцип работы заключается в 7 создании вакуума электрическим мотором, за счет чего робот присасывается к окну и надежно на нем закрепляется. Преимущества вакуумных мойщиков окон:
1. Универсальность (могут мыть плитку, стекла любой толщины и даже протирать пол).
2. Подходят для стеклопакетов.
3. Небольшие размеры и вес.
4. Простая установка и снятие с поверхности.
Однако говоря о минусах, выделим следующие:
1. Работают в большей мере от сети. Несмотря на то, что предусмотрен аккумулятор, он скорее для страховки, чтобы когда отключится свет в квартире либо дома, мойщик проработал еще до 30 мин в автономном режиме.
2. Большая вероятность падения.
Последний вид роботов-мойщиков окон — ручные. Аппараты предназначены в большей мере для автоматической уборки горизонтальных поверхностей (полотеры), но можно вручную очищать и вертикальные объекты, в том числе кафель и окна.
Ручной робот
Из плюсов выделим универсальность. Минусы — не моют окна в автоматическом режиме.
Робот-пылесос
Составляющие робота-пылесоса
Что такое робот-пылесос? В первую очередь это пылесос, оснащенный вычислительными мощностями, навигацией и моторами для управления вращающимися элементами конструкции. Позиционируется как полностью автономное устройство для проведения уборки. Есть условные и похожие параметры, по которым можно распознать автоматизированного уборщика. Концептуально устройство напоминает своеобразный круг из легкого достаточно прочного пластика.
Составляющими и механизмами робота-пылесоса для дома являются:
1. Видеокамера – необходима устройству для ориентировки в пространстве. С ее помощью делается набросок карты передвижения, и используется в качестве дополнительного сенсора для смены траектории при объезде препятствий.
2. Пылесборник – бак для мусора с вместительностью от 400 мл до 1 литра, можно снимать нажатием на фиксатор.
3. Фильтр очистки – очищает воздушные потоки от пыли.
4. Механизм всасывания, совмещенный с системой передвигаемых щеток, достаточно мощный для качественной уборки в доме, и при этом очень тихий.
5. Датчики – органы чувств умного гаджета, которые нужны для рекогносцировки, выявления преодоленного пути, выявления преград, по типу ножек стола или ступенек на нижние этажи, и участков с большим количеством мусора.
6. Колеса – устройство передвигается с помощью трех колес (как правило). Два боковых помогают перемещаться, переднее колесо играет роль дополнительного и помогает остальным, когда это нужно.
7. Аккумулятор – литий ионный с емкостью от 2 до 4 тысяч мАч для непрерывной работы 2-3 часа. Полный заряд происходит за 3-9 часов.
8. Щетки – подметают мусор под уборщика, для всасывания его внутрь.
9. Пазы для полотера есть в устройствах с функцией влажной уборки.
10. Моторы – их около шести штук, и каждый выполняет свою функцию: управление колесами по отдельности, вытягивание мусора воздушным потоком, вращение щеткой (на каждую задействованную щетку используется один мотор), вращение турбощетки [4]
1.2 Роботы-помощники в сфере дезинфекции и очистки поверхностей и помещений.
На сегодняшний день существует множество приборов, позволяющих поддерживать чистоту дома и приборов, для очищения воздуха в медицинских организациях применяющих ультрафиолетовое излучение, бактериальные фильтры.
Мы знаем, что для того, что бы остановить распространение вируса необходимо чаще мыть или обрабатывать руки, обрабатывать поверхности и очищать воздух в помещении. Соответственно будем рассматривать роботов- помощников в данных направлениях работы.
Для обработки рук существуют различные бесконтактные санитайзеры оснащенные инфракрасным датчиком, который реагирует на движение рук и происходит распыление антисептического средства или мыла.[6] (Приложение, Рисунок 1.2.1)
Как правило, такие приборы используются в торговых центрах, медицинских организациях или офисных зданиях.
В медицинских организациях для очистки воздуха используются различные бактерицидные лампы. [5] (Приложение, Рисунок 1.2.2)
Бактерицидное облучение помещений — наиболее распространенное профилактическоемероприятие,цельюкоторогоявляетсяснижениеколичества микроорганизмов в воздухе медицинских организаций и профилактику инфекционных заболеваний.[5] Однако, при их использовании есть некоторые недостатки:
-нельзя использовать бактерицидные лампы при наличии людей в помещении;
-не удаляются запахи и загрязнения с поверхностей;
-при высокой влажности и низких температурах эффективность использования снижается;
-дорогая установка и обслуживание. [7]
Также в медицинских организациях могут быть использованы различные фильтры, например ионные воздухоотчистители. (Приложение, Рисунок 1.2.3)
Принцип их действия заключается в том, что частицы загрязнения проходят через ионизирующую камеру, получают отрицательный заряд и оседают на противоположно заряженных пластинах, располагающихся в фильтре.[6] (Приложение, Рисунок 1.2.4)
Данные приборы помогают обезопасить воздух, однако вирус COVID-19 может оседать и на поверхностях помещения, находясь там продолжительное время. Например, на бумаге, стеклянных и деревянных поверхностях он может жить около 4 дней, напластике5 дней, а в воздухе вирус живет всего 3 часа. [8]
Это говорит о том, что очищать только воздух не достаточно. Если человек коснется зараженной поверхности, а затем прикоснется к лицу, то есть большая вероятность заразиться.
Роботов-помощников, очищающих различные поверхности достаточно много, однако в своем большинстве они предназначены для работы по дому.
Например, роботы-мойщики окон, кафеля, зеркал, столов, паркетов и различных гладких поверхностей. (Приложение, Рисунок 1.2.5)
Такие роботы вполне доступны, очищают поверхности от загрязнений и не требуют участия человека. Принцип их действия заключается в создании вакуума электрическим насосом, за счет чего робот надежно прикрепляется к любой гладкой поверхности. Способ передвижения робота зависит от производителя, это может быть и слаженная работа присосок, и наличие резиновых гусениц или специальных колес или щеток. Траектория движения строится за счет специальных датчиков реагирующих на преграды и загрязнения на поверхности.[7]
Большую популярность в домах имеют моющие роботы-пылесосы.
Они очищают такие поверхности как линолеум, ламинат, паркет. Принцип его работы заключен в устранении пыли и грязи на полу, особое внимание можно уделить его возможностям в передвижении. На корпусе расположены контактные датчики, которые даже при малейшем столкновении меняют линию движения, сообщая программе о наличии препятствия, ультразвуковой датчик позволяет установить расстояние до различных предметов, что позволяет роботу-пылесосу составить карту комнаты и очистить всю площадь от грязи и пыли. [7] (Приложение, Рисунок 1.2.6)
Несмотря на такое разнообразие приборов, позволяющих очистить помещение и воздух от вирусов, ощущается недостаток роботов дезинфицирующих поверхности в медицинских учреждениях, так как именно там идет большое скопление людей, являющихся переносчиками вирусов. Многие приборы для медицинских учреждений используются только при отсутствии в помещении пациентов, и не очищают поверхности, на которых вирус может долгое время оседать, что делает идею нашего робота- дезинфектора перспективной.
3Глава 2. Практическая часть материала по теме исследования
2.1 Модель домашнего робота-пылесоса на базе конструктора LegoWeDo
Робот-дезинфектор включает в себя два смарт-хаба, два мотора, датчик расстояния. (Приложение, Рисунок 2.1.1)
Оба хаба находятся на верхней части робота, к одному хабу подключен мотор 2, ко второму: мотор 1 и датчик. Передвигается робот на четырех колесах, мотор 1 соединен с передними колесами ременной передачей (Приложение, Рисунок 2.1.2), два задних колеса передвигаются за счет передних и располагаются на отдельных осях вращения.[1] (Приложение, Рисунок 2.1.3)
За движение робота отвечает датчик расстояния. По его сигналу мотор 1 меняет направление и продолжает движение. (Приложение, Рисунок 2.1.4)
За работу моющих блоков отвечает мотор 2. Он располагается на задней части робота и, благодаря ему, происходит очищение поверхностей. Вращение моющего блока происходит с помощью зубчатой равной передачи. (Приложение, Рисунок 2.1.5)
После того, как наш робот был готов, мы приступили к программированию. Так как у нас используется два смарт-хаба, мы делали две программы на разных ноутбуках. Первая программа отвечала за работу мотора 1 и датчика. Мотор запускается с мощностью 3 против часовой стрелки, до того момента, пока датчик не увидит перед собой препятствие. После чего, мотор вращается по часовой стрелки 2 секунды, затем опять меняет направление против часовой стрелки, что помогает роботу обойти препятствие. Вся программа заключена в цикл. (Приложение, Рисунок 2.1.6)
Вторая программа запускает мотор 2, который отвечает за работу моющего блока. Мотор начинает вращение по часовой стрелки, запуская моющий блок. (Приложение, Рисунок 2.1.7)
4Заключение
Рассмотрев использование бытовых роботов в нашей повседневной жизни, мы подчеркнули, что на сегодняшний день бытовые роботы способны оказаться в каждом доме, чтобы помогать человеку решать насущные задачи, и способствовать эффективной экономии наших времени и сил.
Существующие роботы, применимые для мытья или обработки поверхностей не применимы для работы в больших помещениях и устраняют в основном органические загрязнения, а не нацелены на дезинфекцию, что делает идею создания робота-дезинфектора актуальной. Узнали о. И создали свою Lego-модель с моторами и датчиком. Мы создали интересную и полезную конструкцию.
В результате нашей работы мы придумали и смоделировали домашнего робота-помощника на базе конструктора LegoWeDo, который может успешно помогать по дому с очищением и дезинфекцией поверхностей. Мы считаем, что его технология отлично спроектирована для начала использования уже сегодня, что станет настоящим приобретением для человека в бытовых условиях!
5Список используемой литературы
-
LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
-
Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
-
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
Интернет источники
-
https://electrik.info/obzor/1182-bytovye-roboty-obzor-robotov-razlichnogo-naznacheniya.html
-
https://cyberleninka.ru;
-
https://www.profiz.ru;
-
https://fb.ru/article
-
https://www.rospotrebnadzor.ru;
6Приложение
Рисунок1.2.2
Рисунок1.2.1
Рисунок1.2.4
Рисунок1.2.3
Рисунок1.2.6
Рисунок1.2.5
Рисунок 2.1.3
Рисунок 2.1.4
Рисунок 2.1.2
Рисунок 2.1.1
Фото команды
Итог уборки в кабинете школы
Рисунок 2.1.7
Рисунок 2.1.6
Рисунок 2.1.5