XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот для сортировки мусора на базе конструктора LEGO Spike Prime

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Козодеев Р.А. 1Колмогорова Е.Б. 1Зимнев С.В. 1Загоскин Д.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Нагорная П.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

848.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире проблема мусора становится более актуальной. Каждый день люди производят огромное количество отходов, которые загрязняют окружающую среду и угрожают здоровью людей и животных. Однако, существует решение этой проблемы – утилизация мусора.

Раздельный сбор мусора – это процесс, при котором отходы классифицируются и собираются отдельно в зависимости от их типа. Обычно это включает разделение на фракции, такие как пластик, стекло, бумага, металлы и органические отходы.

Такой процесс – это важный шаг в направлении более устойчивой и экологически ответственной будущей системы утилизации отходов. Он позволяет более эффективно перерабатывать отходы и снижать загрязнение окружающей среды.

Важно осознавать свою роль в этом процессе и активно участвовать в раздельном сборе мусора, чтобы вместе создать более здоровую и чистую планету для будущих поколений.

Целью нашего исследования является создание робота сортировщика мусора на базе конструктора LEGO Spike Prime.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Исследование влияния мусора на окружающую среду;

2. Изучение информации о сортируемых отходах и их утилизации;

3. Анализ проблем, связанных с сортировкой мусора;

4. Создание модели робота сортировщика мусора на базе конструктора LEGO Spike Prime.

5. Разработка программы для робота сортировщика мусора;

6. Проведение экспериментов для проверки эффективности и работоспособности разработанного робота.

Гипотеза: если все люди на нашей планете будут правильно утилизировать мусор, то наша окружающая среда станет чище!

Глава 1. Основная информация о сортировке мусора

1. 1. Влияние мусора на окружающую среду

Мусор — это глобальная проблема, поскольку его количество быстро растет во всем мире. Данная тема в наши дни официально обсуждается на международном уровне.

Мусор, как итог деятельности человека, вызывает существенные смены климата, постоянно загрязняет окружающую среду. Маленькие изделия из искусственных материалов по ошибке съедают животные, что регулярно заканчивается их смертью. Брошенные пакеты из полиэтилена, проволока и сети, а также прочие предметы превращаются в настоящие смертельные ловушки для животных.

Под действием особых бактерий разлагаются исключительно отходы из органики. Металл, пластик и стекло постепенно полностью распадаются под постоянным воздействием ветра, солнечных лучей и воды. Сегодня уже есть так называемые биоразлагаемые полимеры. На общую скорость разложения в дикой природе влияют различные факторы: размер и состав, температура. Вопреки мерам, принимаемым некоторыми странами, с каждым новым годом на нашей планете повышаются объемы отходов. Из-за неграмотной утилизации существенно повышается загрязнения природы разнообразными вредными элементами [1].

Сроки разложения различных отходов (Рисунок 1.1.2, Приложения):

• Пищевые остатки – порядка 30 дней.

• Газеты – 1-3 месяца.

• Семена, листва, ветки – 3-4 месяца.

• Картон – 3 месяца.

• Офисная бумага – 2 года.

• Старая обувь, железные банки, демонтированные доски – 10 лет.

• Металл – до 13 лет.

• Жевательная резинка – 30 лет.

• Автомобильные аккумуляторы, бой бетона и кирпича – 100 лет.

• Фольга – больше 100 лет.

• Батарейки – 110 лет.

• Автомобильные покрышки – до 140 лет.

• Бутылки из пластика – до 200 лет.

• Полиэтиленовые пакеты – 200 лет.

• Банки из алюминия – 500 лет.

• Памперсы – 500 лет.

• Стекло – больше 1000 лет.

• Кожура плодов — две-пять недель.

• Полиэтиленовые пакетики — десять-двадцать лет.

• Консервные банки — десять-пятьдесят лет.

• Газеты — один-три года.

• Бутылки из пластика — 100-1000 лет.

• Бутылки из стекла — четыре тысячи лет.

• Зажигалки — сто лет.

• Полимерная пленка — тридцать-сорок лет.

Минприроды РФ в настоящее время выделяет пять типов опасности мусора в зависимости от уровня их воздействия на экологию. Первый класс — это крайне опасные отходы, вызывающие необратимые последствия. Пятый — практически неопасные отходы. В первый, второй и третий классы, таким образом, входят высоко опасные, умеренно опасные, а также малоопасные. Однако избежать появления мусора просто невозможно [1].

Главные причины образования мусора:

• Перепроизводство.

• Ненужные покупки.

• Ошибки при производстве.

• Нарушение необходимых условий хранения.

• Различные повреждения в момент перевозки.

• Истечение официального срока годности.

Очень существенной проблемой являются остатки различных товаров из пластмассы. Согласно последним данным, в одном лишь 2010 году в океанах нашей планеты оказалось почти восемь миллионов тонн подобных отходов. Они распадаются до микрочастиц и затем попадают к нам прямо на обеденный стол в виде различных морепродуктов.

Там, где течения в океане образуют круговороты, частички пластмассы объединяются, формируя огромные острова. Такое явление в Тихом океане, подробно описанное в первый раз в 1997 году исследователями, называется сегодня Большим мусорным тихоокеанским пятном (Рисунок 1.1.2, Приложения).

Мусор оказывает значительное негативное влияние на окружающую среду, затрагивая экосистемы, здоровье человека и качество жизни населения. Основные аспекты влияния включают:

Загрязнение почвы: отходы накапливаются на поверхности земли и проникают в почву, загрязняя её химическими веществами, тяжелыми металлами и токсинами. Это снижает плодородность почв, нарушает биологические процессы и негативно влияет на растительный мир.

Загрязнение воды: попадание отходов в водоемы приводит к загрязнению водных ресурсов. Мусорные свалки выделяют фильтрат — жидкость, содержащую опасные вещества, которые просачиваются в грунтовые воды и реки. Разлив нефти и пластика особенно опасен для морских обитателей.

Выбросы парниковых газов: разложение органических отходов на свалках выделяет метан — мощный парниковый газ, способствующий глобальному потеплению и изменению климата.

Угроза здоровью животных и людей: животные часто потребляют мусор, что ведет к травмам, отравлениям и гибели. Для человека отходы представляют опасность через пищевые цепи, загрязненную воду и воздух. Например, попадание пластиковых частиц в организм рыб, а затем в пищу человека создает риск заболеваний и нарушений здоровья.

Утрата природных ландшафтов: захламление территорий мусором уничтожает природные зоны отдыха, ухудшая эстетику среды обитания и снижая рекреационную ценность местности.

Экономические потери: сбор, переработка и утилизация отходов требуют значительных финансовых затрат. Затраты увеличиваются при возникновении экологических катастроф, связанных с накопленными отходами.

Так же человечеством изобретены соединения, которые не разлагаются. К ним относятся различные упаковочные материалы, емкости для хранения жидкостей, резина, лавсан, синтетические полимеры, моющие средства, красители. Все они выделяют вредные для окружающей среды и людей опасные вещества [2].

Таким образом, проблема утилизации и переработки мусора становится одним из ключевых факторов устойчивого развития общества и защиты окружающей среды от деградации.

1.2 Виды сортируемых отходов

Сортировка мусора (раздельный сбор отходов) — это практика сбора и разделения отходов с учётом их происхождения и пригодности к переработке или вторичному использованию.

Цель сортировки — выделить полезные фракции (вторсырьё) и отделить отходы, которые нельзя переработать.

Раздельный сбор отходов позволяет отделить перерабатываемые отходы от не перерабатываемых, а также выделить отдельные типы отходов, пригодные для вторичного использования. Наиболее важным этапом при разделении мусора является отделение пищевых отходов (Рисунок 1.2.1, Приложения). Это позволяет избежать загрязнения перерабатываемого вторичного сырья продуктами и уменьшить объём свалочного газа на полигонах.

Мусор принято классифицировать по разным основаниям. Например, по опасности выделяют пять классов отходов, по источнику производства бывают промышленные, строительные и бытовые отходы (Рисунок 1.2.2, Приложения). Виды бытовых отходов:

1. Пищевые отходы

Пищевые отходы — это остатки овощей, фруктов, круп, скорлупы яиц, чайной заварки, продуктов с истекшим сроком годности и очисток. Пищевые отходы составляют около 30–40% от общего количества мусора в российских домах.

На свалке они гниют, выделяя вредный газ — метан. И хоть разлагаются быстрее, чем, к примеру, пластик, все равно для этого требуется время. Например, кожура банана разлагается полгода, мясные кости — около шести лет [3].

2. Пластик

Отходы из пластика — это бутылки и канистры, контейнеры и крышки, пакеты, одноразовая посуда и упаковка.

От неутилизированного пластика ежегодно погибают более 100 000 птиц и морских животных. Они проглатывают куски пластика, принимая их за рыбу или водоросли. Один только полиэтиленовый пакет разлагается в природе от 100 до 200 лет!

Хорошая новость в том, что из семи видов пластика только три не подлежат вторичной переработке или подлежат ей крайне редко. Большинство изделий перерабатывать можно. К примеру, из 22 полуторалитровых бутылок от минеральной воды может получиться флисовая куртка [3].

3. Стекло

Несмотря на то, что стекло состоит из песка, соды и извести, для распадания на части ему требуется около 1000 лет. К стеклянным отходам относят банки, бутылки, плафоны, бокалы, окна.

Из вторичного сырья снова изготавливают оконное стекло и тару, декоративные витражные плитки, силикатный клей, стекловолокно, стекловату, пеностекло.

4. Металл

К металлическим изделиям относят алюминиевые банки, жестяные крышки, металлические контейнеры, лезвия ножей, фольга, гвозди и т.д. Время распада металла зависит от его типа. Например, сталь разрушается в зависимости от толщины сплава от 30 до 400 лет.

Зато металл можно тоже неоднократно перерабатывать. Так, электродуговые печи для выплавки стали позволяют использовать металлолом как сырье вплоть до 100%.

5. Бумага и картон

Ежегодно только в одной России выпускают около 9 млн тонн бумажной и картонной продукции: книги, газеты, бумажную упаковку, тетради и т.д. Бумага и картон разлагаются примерно за месяц, глянцевым журналам требуется около пяти лет. Но все это можно перерабатывать.

Одна тонна макулатуры сохраняет жизнь 17 взрослым деревьям. А делают из нее блоки утеплителей стен, яичные контейнеры, туалетную бумагу, стаканчики для рассады и многое другое.

6. Опасные отходы

Опасные отходы — это предметы, которые при неправильной утилизации могут нанести вред окружающей среде и здоровью человека. К ним относятся ртутные градусники, лекарства, батарейки, аккумуляторы, бытовая химия, лакокрасочная продукция. Как правило, их надо отвозить в специальные пункты приема.

Это продукты высокой токсичности. Одна батарейка загрязняет территорию площадью до 20 м² и 400 л воды, а покрышка автомобиля разлагается около века. Если представить, сколько таких отходов выкидывается в год, ущерб природе выходит колоссальный [3].

1. 3. Анализ проблем, связанных с утилизацией и сортировкой мусора

Проблема мусора, к сожалению, не теряет своей актуальности. Горы отходов растут, загрязняя окружающую среду и угрожая здоровью людей (Рисунок 1.3.1, Приложения). Однако, на пути к чистому будущему стоит целый ряд серьезных проблем:

1. Недостаточная инфраструктура и финансирование:

Нехватка современных полигонов: Многие полигоны переполнены, устарели и не соответствуют экологическим стандартам.

Недостаточное количество сортировочных станций: Даже в крупных городах часто не хватает сортировочных станций, способных эффективно разделять отходы на перерабатываемые фракции.

Ограниченное финансирование: Развитие инфраструктуры требует значительных инвестиций, которые не всегда доступны [4].

2. Низкая культура сортировки отходов среди населения:

Отсутствие знаний и мотивации: Многие люди просто не знают, как правильно сортировать мусор, или не видят в этом смысла.

Неудобство: Не всегда удобно сортировать мусор дома, особенно если нет достаточного места или подходящих контейнеров.

Недоверие к системе: Некоторые люди не верят, что отсортированный ими мусор действительно будет переработан, что снижает их мотивацию.

3. Проблемы переработки:

Низкое качество вторичного сырья: Загрязненное или смешанное вторичное сырье сложно и дорого перерабатывать.

Ограниченный рынок сбыта: Не всегда есть спрос на вторичное сырье, что делает переработку экономически невыгодной.

Недостаток перерабатывающих предприятий: в некоторых регионах просто нет предприятий, способных перерабатывать определенные виды отходов.

4. Неэффективное законодательство и контроль:

Слабый контроль за соблюдением экологических норм: Недостаточный контроль за деятельностью предприятий, занимающихся утилизацией и переработкой отходов, приводит к нарушениям и загрязнению окружающей среды.

Недостаточное стимулирование переработки: Отсутствие экономических стимулов для предприятий, занимающихся переработкой отходов, тормозит развитие отрасли.

5. Проблема пластика:

Огромное количество пластиковых отходов: Пластик – один из самых распространенных видов отходов, который разлагается сотни лет.

Микропластик: Разрушение пластика приводит к образованию микропластика, который попадает в почву, воду и пищевую цепь, представляя угрозу для здоровья человека и окружающей среды.

Сложность переработки некоторых видов пластика: Не все виды пластика можно переработать, а переработка некоторых из них экономически невыгодна [5].

Решение проблемы мусора – это коллективная ответственность. Каждый из нас может внести свой вклад в создание более чистого и здорового будущего. Начните с малого: сократите потребление, сортируйте мусор, поддерживайте экологические инициативы. (Рисунок 1.3.2, Приложения).

Глава 2. Создание робота для сортировки мусора на базе конструктора LEGO Spike Prime

2.1 Конструкция робота и его функционал

Для создания более устойчивой и экологически чистой системы управления отходами нами была придумана и создана модель робота сортировщика мусора на базе конструктора LEGO Spike Prime (Рисунок 2.1.1, Приложения).

Задачи робота:

Идентификация: Робот должен уметь распознавать различные типы мусора: пластик, бумага, стекло, металл, органические отходы и т.д.

Сортировка: Разделенный мусор помещается в соответствующие контейнеры для дальнейшей переработки6 синий – стекло, оранжевый – пластик, зеленый – органические отходы (Рисунок 2.1.2, Приложения).

В модели робота для сортировки мусора, созданного на базе конструктора LEGO Spike Prime, используется:

• Два средних мотора для движения (Рисунок 2.1.3, Приложения);

• Датчик цвета, определяющий цвет мусора (Рисунок 2.1.4, Приложения);

• Большой мотор, для укладки мусора в контейнер (Рисунок 2.1.5, Приложения);

Благодаря роботу для сортировки мусора есть возможность значительно улучшить процесс переработки отходов, снизить загрязнение окружающей среды и сохранить ресурсы нашей планеты для будущих поколений.

2.2 Описание программы для робота

Программа робота сортировщика мусора создана в среде LEGO Spike Prime (Рисунок 2.3.1, Приложение). Датчик цвета определяет тип мусора, запускает движение моторов в зависимости от цвета для дальнейшего перемещения в контейнеры. В программе созданы собственные блоки:

Определить «вперед»:

1. Установить моторы для движения А и В;

2. Переместить вперед на 5 секунд.

Определить «назад»:

1. Установить моторы для движения А и В;

2. Переместить назад на 5 секунд.

Определить «направо»:

1. Установить моторы для движения А и В;

2. Переместить направо на 30 градусов.

Определить «налево»:

1. Установить моторы для движения А и В;

2. Переместить налево на -30 градусов.

Далее программа в зависимости от сигнала датчика цвета запускает определенные действия:

Синий:

1. Движение вперед;

2. Мотор С налево на 30 градусов (опускание платформы);

3. Ожидание 1 секунду (пока мусор высыпается в контейнер);

4. Мотор С направо на 30 градусов (поднятие платформы);

5. Движение назад.

Красный:

1. Движение направо;

2. Движение вперед;

3. Мотор С налево на 30 градусов (опускание платформы);

4. Ожидание 1 секунду (пока мусор высыпается в контейнер);

5. Мотор С направо на 30 градусов (поднятие платформы);

6. Движение назад.

Зелёный:

1. Движение налево;

2. Движение налево;

2. Движение вперед;

3. Мотор С налево на 30 градусов (опускание платформы);

4. Ожидание 1 секунду (пока мусор высыпается в контейнер);

5. Мотор С направо на 30 градусов (поднятие платформы);

6. Движение назад.

Структура программы линейная, умеет три условия в зависимости от датчика цвета, определяющего тип мусора и запускающего моторы в нужные направления, в которых находятся контейнеры.

Заключение

В заключении, проектирование робота для сортировки мусора является важной и актуальной задачей. Автоматизация процесса управления отходами является одной из важнейших задач современного мира.

Робот обладает целым рядом преимуществ, делающих их незаменимыми помощниками в борьбе за экологию: высокая скорость и эффективность, повышенная точность, безопасность и улучшение условий труда, улучшение качества вторсырья, сокращение количества отходов, отправляемых на полигоны.

Робот для сортировки мусора позволяет нам более эффективно управлять отходами, защищать окружающую среду и создавать более устойчивое будущее. По мере развития технологий и снижения стоимости роботизированных систем, их применение в сфере переработки отходов будет только расширяться.

В конечном итоге, мы можем прийти к созданию полностью автоматизированных сортировочных станций, которые будут работать круглосуточно, без перерывов и выходных, превращая отходы в ценное сырье и способствуя созданию экономики замкнутого цикла. Это позволит нам не только решить проблему утилизации отходов, но и снизить зависимость от первичных ресурсов, что является важным шагом на пути к устойчивому развитию.

Список использованных источников

1. https://grunteco.com/articles/garbage-problems/

2. https://12.rospotrebnadzor.ru/rss_all/-/asset_publisher/Kq6J/content/

3. https://moya-planeta.ru/travel/view/sortirovka_musora?ysclid=mbgfdvrd4j112246364

4. https://teh-eco.com/o_kompanii/staty/problemi-utilizatsii-musora/

5. https://ecoportal.info/problema-utilizacii-musora/

ПРИЛОЖЕНИЯ