XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автоматизация процесса уборки урожая: разработка модели «Сборщик кочанов» На базе конструктора LEGO Mindstorms EV3
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Современное сельское хозяйство сталкивается с возрастающими вызовами, связанными с необходимостью повышения эффективности производства, снижения затрат и обеспечения продовольственной безопасности. В этом контексте автоматизация уборки урожая выступает одним из ключевых направлений технологического развития отрасли, способным кардинально изменить подходы к ведению агробизнеса.
Особую актуальность данная проблема приобретает в регионах с высокой урожайностью сельскохозяйственных культур, таких как Тюменская область. Здесь, несмотря на щедрость земель и значительные объемы производства, до сих пор широко используется ручной труд при сборе урожая капусты. Это не только отнимает силы у людей и создает значительную физическую нагрузку на работников, но и существенно тормозит производственные процессы, снижая общую эффективность аграрных предприятий. Для сбора большого объема требуется колоссальное количество рабочей силы, что приводит к дефициту кадров, увеличению операционных расходов и задержкам в своевременной поставке продукции на рынок. Эти факторы негативно сказываются на экономических показателях региона и требуют немедленного технологического решения.
Автоматизация сбора урожая капусты позволит повысить производительность, но и минимизировать потери продукции, улучшить ее качество за счет стандартизации процесса и обеспечить более эффективное использование ресурсов.
Цель: Разработка и демонстрация принципов автоматизации процесса уборки урожая капусты на примере создания модели «Сборщик кочанов» с использованием платформы LEGO EV3 для повышения эффективности сельскохозяйственного производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обосновать актуальность и необходимость автоматизации сбора капусты в современном сельском хозяйстве.
2. Описать концепцию и преимущества разработанной модели «Сборщик кочанов».
3. Разработать проект и осуществить конструирование робота "Сборщик кочанов" на базе конструктора LEGO EV3
Глава 1. Автоматизация уборки урожая капусты: обзор и актуальность.
-
-
Актуальность автоматизации сбора капусты в сельском хозяйстве
-
В условиях современного агропромышленного комплекса, где эффективность и ресурсосбережение играют ключевую роль, проблема автоматизации уборки урожая капусты приобретает особую актуальность. Традиционные методы ручного сбора этой культуры сопряжены с рядом значительных трудностей, таких как постоянно растущие затраты на рабочую силу и ее дефицит, особенно в пиковые сезоны, а также высокая трудоемкость и физическая нагрузка на персонал. Автоматизированные системы способны обеспечить не только существенное снижение операционных расходов и зависимости от человеческого фактора, но и значительное увеличение производительности труда. Они позволяют минимизировать потери урожая, повысить качество сбора за счет стандартизации процесса и обеспечить своевременное поступление продукции на рынок, что критически важно для сохранения товарного вида и свежести. Таким образом, внедрение технологий автоматизированного сбора капусты является не просто вопросом оптимизации, а насущной необходимостью для обеспечения устойчивого развития сельскохозяйственного производства и повышения его конкурентоспособности.
Кроме того, автоматизация уборки урожая капусты открывает новые возможности для повышения общего уровня технологичности сельскохозяйственных предприятий. Современные роботизированные комплексы способны интегрироваться с системами точного земледелия, используя данные о состоянии почвы, уровне зрелости растений и даже индивидуальных особенностях каждого кочана для оптимизации процесса сбора. Это не только позволяет минимизировать отходы и повреждения продукции, но и способствует более рациональному использованию ресурсов, включая удобрения и воду, а также снижает воздействие на окружающую среду. В долгосрочной перспективе внедрение таких решений обеспечивает устойчивое развитие агросектора, повышая его адаптивность к изменяющимся климатическим условиям и экономическим реалиям, что делает автоматизацию сбора капусты стратегически важным направлением для обеспечения продовольственной безопасности и конкурентоспособности сельскохозяйственного производства.
В Тюменской области, где земля щедра на урожай до сих пор при сборе урожая используется ручной труд, это отнимает силы у людей и тормозит производство. Современное сельское хозяйство сталкивается с возрастающими вызовами, связанными с необходимостью повышения эффективности производства, снижения затрат и обеспечения продовольственной безопасности. В этом контексте автоматизация уборки урожая выступает одним из ключевых направлений технологического развития отрасли.
Сбор урожая влияет на экономические показатели региона, например, в 2024 году урожайность капусты составила 25 центнеров с гектара. Просто представьте сколько рабочей силу уходит на ёё сбор. Более того, проблема качества и сохранности капусты после сбора напрямую зависит от метода уборки. Ручной труд, несмотря на кажущуюся точность, часто приводит к механическим повреждениям кочанов, что снижает их товарную ценность и срок хранения. Неравномерная срезка, неправильная упаковка или задержки в транспортировке из-за низкой скорости ручного сбора значительно увеличивают процент потерь и снижают рентабельность.
Внедрение автоматизированных систем позволяет стандартизировать процесс срезки, обеспечить бережное обращение с продуктом и оперативно перемещать урожай на дальнейшую обработку или хранение. Это гарантирует более высокое качество конечной продукции, минимизирует порчу и позволяет сельскохозяйственным предприятиям выходить на рынок с более конкурентоспособным товаром, отвечая строгим требованиям потребителей и торговых сетей.
-
-
Описание модели "Сборщик кочанов" и ее преимуществ
-
Изначальная концепция «Сборщика кочанов» представляла собой робота с манипулятором, расположенным в передней части корпуса, и статичной корзиной, закрепленной сзади. Предполагалось, что манипулятор будет срезать капусту и поворачиваться назад для её сброса в корзину. Однако, уже на ранних этапах проектирования и виртуального тестирования, мы столкнулись с фундаментальной проблемой: жесткое крепление манипулятора к передней части серьезно ограничивало его диапазон движений. Он не мог эффективно развернуться на 180 градусов для точного сброса груза, что делало процесс крайне непрактичным, замедляло работу и увеличивало риск повреждения как урожая, так и самого робота. Эта первая, казалось бы, простая преграда заставила нас полностью переосмыслить подход.
Именно тогда пришло озарение: вместо двух относительно независимых систем (манипулятор и корзина), необходимо создать единую, интегрированную, масштабируемую платформу. В результате длительных обсуждений, мозговых штурмов и анализа доступных решений, мы пришли к выводу, что наиболее оптимальным и перспективным подходом является создание масштабной роботизированной машины на гусеничном ходу, оснащенной подвижным, высокоточным манипулятором. Эта концепция обещает не только колоссальный прирост стабильности и проходимости, но и качественно новый уровень точности и универсальности в манипуляциях с грузами.
Главной особенностью механической части нашего "Сборщика кочанов" является его гусеничная система передвижения. Вдохновленные принципами построения тяжелой вездеходной техники, такой как танки, мы разработали движитель, способный обеспечить беспрецедентную проходимость по самым разнообразным и сложным типам сельскохозяйственных угодий. Гусеницы равномерно распределяют вес робота по большой площади, минимизируя давление на грунт и предотвращая его чрезмерное уплотнение, что критически важно для сохранения плодородия почвы.
Этот мощный гусеничный механизм позволяет роботу уверенно преодолевать рыхлую почву, глубокие борозды, каменистые участки, а также справляться с другими неровностями рельефа, которые являются неотъемлемой частью любого поля. Благодаря высокой площади сцепления и способности эффективно распределять крутящий момент, наш робот легко маневрирует в сложных условиях, значительно повышая свою эффективность в сельскохозяйственных работах и сокращая время, необходимое для перемещения между обрабатываемыми зонами. Чтобы наглядно продемонстрировать и тщательно протестировать возможности гусеничного хода в условиях, имитирующих реальное поле, мы вручную изготовили специализированный макет неровной поверхности, используя картон и легкий пластилин, что позволило нам многократно проверять и оптимизировать конструкцию.
«Сборщик кочанов» оснащен совершенной роботизированной рукой, выполненной по типу многозвенного манипулятора. Управление этим сложным механизмом осуществляется посредством двух мощных моторов EV3: одного большого и одного среднего. Большой мотор обеспечивает основную артикуляцию руки, позволяя ей достигать значительной высоты и вылета, что необходимо для доступа к кочанам, расположенным на разных уровнях. Средний мотор, в свою очередь, отвечает за прецизионное управление концевым захватом – клешней, интегрированной со специализированным режущим лезвием.
Эта современная модель руки прошла несколько модификаций в процессе разработки, чтобы обеспечить максимальную точность при захвате, перемещении и размещении грузов, в данном случае — кочанов капусты. Лезвие спроектировано таким образом, чтобы производить исключительно чистый и аккуратный срез у самого основания кочана, минимизируя риск повреждения корневой системы основного растения. Это также позволяет избежать случайного задевания или повреждения соседних растений, что является частой проблемой при ручной уборке. Такой деликатный, но эффективный подход не только обеспечивает сохранность урожая, но и существенно повышает его качество, продлевает срок хранения и улучшает товарный вид, что имеет прямое экономическое преимущество. Гибкая конструкция клешни и точность её движений позволяют выполнять широкий спектр задач, выходящих за рамки простого срезания, открывая путь к более сложным манипуляциям.
Работа над системой сбора урожая, которую мы назвали «Умной корзиной», оказалась не менее, а в некоторых аспектах даже более сложной задачей, чем проектирование манипулятора. Однако, опираясь на уроки, извлеченные из предыдущих ошибок, мы смогли предложить значительно более технологичное и надежное решение. Изначально рассматривался вариант, когда корзина будет просто подъезжать к руке и ожидать, пока груз будет сброшен. Однако этот подход оказался крайне нестабильным и трудным для точной реализации, особенно на неровной поверхности, где малейшие отклонения могли привести к промахам и потерям.
В итоге, после тщательного анализа и множества экспериментов, было принято революционное решение: создать автономную платформу «Умной корзины» с собственным высокоточным выдвижным механизмом. Этот уникальный компонент оснащен собственным комплексом из двух больших и одного среднего мотора, что позволяет ему функционировать как независимая, но синхронизированная единица. Два больших мотора обеспечивают передвижение самой корзины, а средний мотор управляет механизмом выдвижения.
Сама «Умная корзина» также выполнена на собственном гусеничном движителе, что обеспечивает ей исключительную проходимость и возможность работы на различных поверхностях, независимо от движения основного робота. Это позволяет корзине динамически позиционироваться, подходя непосредственно к манипулятору для приема срезанного кочана. Выдвижной механизм, приводимый в действие средним мотором, позволяет быстро и точно подгонять приемный отсек корзины под клешню манипулятора. Такой подход гарантирует максимальную надежность и стабильность размещения груза, минимизируя риск падения и повреждения капусты. Эта система значительно повышает общую эффективность процесса сбора и обеспечивает высокий уровень безопасности работы.
В процессе разработки всей конструкции робота – от базового шасси до мельчайших элементов захвата – возникла необходимость многократно её совершенствовать. Изначально некоторые соединения не обладали достаточной прочностью, определенные узлы не обеспечивали необходимой функциональности, а материалы требовали подбора оптимальных характеристик. Поэтому мы постоянно вносили изменения, экспериментировали с различными конструктивными решениями и тестировали их на практике. В результате этих неоднократных доработок удалось добиться оптимального баланса между практичностью, высокой надёжностью и простотой обслуживания. Особое внимание уделялось тому, чтобы робот был максимально устойчивым и долговечным в условиях эксплуатации на нашем макете поля, имитирующем реальные условия. В конструкцию были интегрированы усиленные соединения, выбраны наиболее прочные элементы LEGO и тщательно продумана геометрия каждого узла, что позволило значительно повысить стойкость системы к механическим нагрузкам, вибрациям и потенциальным задержкам в работе.
Реализованный дизайн и интегрированные инновационные решения делают нашего робота "Сборщик кочанов" универсальным помощником в сельскохозяйственной сфере, особенно при уборке урожая капусты. Он способен эффективно выполнять поставленные задачи, значительно снижая потребность в ручном труде и, как следствие, повышая урожайность за счет минимизации потерь и ускорения процесса. В будущем мы планируем продолжать совершенствование конструкции, добавляя новые функциональные возможности, такие как системы компьютерного зрения для автономного обнаружения кочанов, сенсоры для определения степени зрелости, а также адаптацию робота для сбора других видов овощей. Таким образом, созданный нами робот — это не просто прототип, а результат кропотливой инженерной работы, тщательного тестирования и постоянного поиска оптимальных решений, что позволяет ему успешно сочетать практичность, надежность и эффективность в выполнении сельскохозяйственных задач, прокладывая путь к будущему полностью автоматизированного агросектора.
Глава 2. Разработка и реализация роботизированного решения
2.1. Проектирование и конструирование робота на базе LEGO EV3 LEGO EV3
Разработка любого сложного роботизированного комплекса, особенно предназначенного для выполнения специфических задач в неструктурированной среде, начинается с тщательного проектирования и выбора оптимальной платформы. В случае создания "Сборщика кочанов", цель которого – автоматизация уборки урожая капусты, ключевым этапом стало проектирование и конструирование его прототипа на базе образовательного конструктора LEGO Education EV3.
Выбор LEGO EV3 в качестве основной платформы для разработки прототипа не случаен и обусловлен целым рядом стратегических преимуществ, которые делают его идеальным инструментом для образовательных и научно-исследовательских проектов на начальных стадиях.
Во-первых, модульность и гибкость системы LEGO EV3 являются фундаментальными. Конструктор состоит из унифицированных элементов (балок, штифтов, шестерен, осей), которые легко соединяются и разъединяются. Это обеспечивает беспрецедентную скорость сборки и разборки, позволяя инженерам и разработчикам мгновенно воплощать идеи в физические прототипы, тестировать различные компоновочные решения и оперативно вносить изменения в конструкцию без необходимости сложной механической обработки или изготовления деталей. Такой подход значительно сокращает цикл "идея – прототип – тест – доработка", что критически важно в условиях ограниченного времени и ресурсов.
Во-вторых, доступность и интуитивность программирования. Платформа EV3 поставляется с графической средой программирования (EV3-G), основанной на блочном интерфейсе. Это делает процесс написания алгоритмов управления максимально наглядным и понятным даже для начинающих разработчиков, позволяя сосредоточиться на логике поведения робота, а не на синтаксисе языка. Наличие встроенных датчиков (касания, цвета, ультразвука, гироскопа) и моторов с энкодерами обеспечивает богатый инструментарий для реализации сложных управляющих программ, которые могут реагировать на внешнюю среду и точно контролировать движения механизмов.
В-третьих, экономическая эффективность. Использование LEGO EV3 для создания прототипа является гораздо более бюджетным решением по сравнению с разработкой уникальных механических узлов или приобретением специализированных промышленных компонентов. Это позволяет сосредоточить основные усилия на проверке концепции и функциональности, а не на высоких начальных инвестициях.
Наконец, способность к воспроизведению и модификации. Благодаря стандартизации элементов LEGO, разработанная конструкция может быть легко воспроизведена или модифицирована другими командами, что способствует обмену опытом и дальнейшему развитию проекта.
Процесс проектирования "Сборщика кочанов" проходил итеративно, начиная с высокоуровневых концепций и постепенно углубляясь в детализацию каждого узла.
Как было упомянуто ранее, первоначальная идея заключалась в создании робота с манипулятором в передней части и стационарной корзиной сзади. Эта концепция была быстро пересмотрена в процессе анализа и первых тестовых сборок. Выявились следующие критические проблемы: жесткое крепление манипулятора спереди не позволяло ему эффективно поворачиваться назад для точного сброса груза в корзину. Необходимость разворота на 180 градусов приводила к неточностям, падениям кочанов и потере времени. Стационарная корзина, расположенная сзади, создавала неравномерное распределение веса, особенно по мере наполнения. Это ухудшало стабильность робота при движении по неровной местности и могло привести к опрокидыванию. Каждое действие (срез, поворот, сброс) занимало слишком много времени из-за неоптимальной компоновки, что значительно снижало общую производительность.
Эти ограничения привели к принципиальному изменению концепции. Было принято решение о создании единой, интегрированной системы, где манипулятор и корзина взаимодействуют динамически, а не статически. Новая идея заключалась в разработке огромной, стабильной машины на гусеничном ходу, оснащенной подвижной, высокоточной клешней-манипулятором и динамически управляемой "умной корзиной".
Гусеницы были выбраны как основной элемент передвижения благодаря их превосходной проходимости по различным типам поверхностей, характерным для сельскохозяйственных полей (рыхлая почва, камни, неровности). Для создания гусеничного движителя были использованы два больших мотора EV3, по одному на каждую гусеницу, что обеспечивало независимое управление и, следовательно, высокую маневренность (танковый тип поворота). Сами гусеницы собирались из стандартных цепных элементов и зубчатых колес LEGO Technic, а также широких тракторных звеньев для увеличения площади контакта.
На ранних этапах возникали проблемы с проскальзыванием гусениц на ведущих звездочках и недостаточным натяжением. Эти вопросы решались путем подбора оптимального количества звеньев, использования элементов для натяжения и укрепления всей конструкции гусеничных траков. Особое внимание уделялось жесткости крепления моторов к основной раме, чтобы избежать люфтов и потерь мощности. Для тестирования проходимости был вручную создан макет неровной поверхности из картона и легкого пластилина, что позволяло моделировать реальные условия и оценивать стабильность движения.
Роботизированная рука стала одним из наиболее сложных и итеративно разрабатываемых узлов. Для управления рукой были задействованы два мотора EV3: один большой мотор отвечал за основной подъем/опускание и поворот всей конструкции руки, обеспечивая необходимый вылет и досягаемость. Средний мотор был использован для управления клешней, что требовало высокой точности.
Клешня была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить надежный захват кочана. Интегрированное режущее лезвие (имитированное из стандартных LEGO элементов, но концептуально разработанное для чистого среза) крепилось таким образом, чтобы минимизировать повреждение как самого кочана, так и соседних растений. Особое внимание уделялось передаче усилия от среднего мотора к клешне и лезвию, используя систему шестерен и рычагов для оптимальной кинематики.
В процессе сборки и тестирования обнаруживались проблемы с жесткостью звеньев руки, что приводило к прогибам под весом кочана. Это решалось путем усиления конструкции с использованием дополнительных балок и крепежных элементов LEGO Technic, а также оптимизации соотношения передач для увеличения крутящего момента и точности позиционирования.
"Умная корзина" стала ключевым элементом, позволившим отойти от статической концепции. В отличие от первоначальной идеи, корзина получила собственный гусеничный движитель, приводимый в действие двумя большими моторами EV3. Это позволило ей независимо маневрировать по полю, подстраиваясь под положение манипулятора.
Главной инновацией стал выдвижной механизм на основе реечной передачи, управляемый отдельным средним мотором. Этот механизм позволял корзине быстро и точно подъезжать к месту среза и принимать кочан непосредственно из клешни манипулятора, а затем возвращаться в исходное положение. Такой подход значительно повысил надежность захвата и снизил риск повреждения урожая при перегрузке.
Основная сложность заключалась в программной синхронизации движения руки и корзины. Алгоритм должен был обеспечивать, чтобы корзина выдвигалась ровно в тот момент, когда манипулятор готов передать кочан, и возвращалась только после надежного размещения груза. Это требовало точного использования энкодеров моторов и логических блоков в среде программирования EV3.
Корзина также была разработана с учетом прочности и вместительности, используя прочные балки и элементы LEGO Technic для формирования жесткого каркаса, способного выдерживать вес собранного урожая.
В ходе проектирования и конструирования на базе LEGO EV3, каждый элемент робота подвергался многократным проверкам и доработкам. От выбора типа привода до мельчайших соединений, каждый аспект тщательно продумывался, тестировался и, при необходимости, перерабатывался. Этот итеративный процесс, подкрепленный возможностями платформы EV3, позволил нам создать не просто робота, а функциональный прототип, демонстрирующий высокую степень устойчивости к механическим нагрузкам и общую надежность в выполнении сельскохозяйственных задач. Фотографии модели представлены в Приложении 1
Заключение
Разработка роботизированного решения для сбора урожая капусты, представленная в данной работе в виде модели "Сборщик кочанов" на базе LEGO Education EV3, является ярким примером применения принципов мехатроники и итеративного проектирования для решения актуальных задач в сельскохозяйственной отрасли. Данный проект не только демонстрирует потенциал автоматизации в аграрном секторе, но и подчеркивает ценность образовательных платформ, таких как LEGO EV3, для проведения начальных исследований и прототипирования сложных систем.
Основной целью работы было создание функционального прототипа, способного эффективно собирать кочаны капусты, минимизируя трудозатраты и повышая качество урожая. Мы успешно реализовали эту цель, преодолев ряд инженерных вызовов. Ключевым достижением стало переосмысление изначальной, менее практичной концепции со статичной корзиной и фиксированным манипулятором. Опыт, полученный на ранних этапах, позволил нам перейти к созданию более совершенной, динамически интегрированной системы.
Среди основных достижений и инновационных решений, реализованных в модели, следует выделить:
-
Разработка высокопроходимого гусеничного движителя: Вдохновленный конструкцией танков, этот движитель обеспечил роботу исключительную устойчивость и способность эффективно перемещаться по самым сложным сельскохозяйственным ландшафтам, включая рыхлую почву и неровности, что было подтверждено тестированием на специально созданном макете. Это решение критически важно для работы в реальных полевых условиях, где обычные колесные платформы могут быть неэффективны.
-
Проектирование высокоточной роботизированной руки с режущим лезвием: Многозвенный манипулятор, управляемый двумя моторами EV3, был разработан с особым вниманием к деталям. Интегрированное лезвие обеспечивает чистый и аккуратный срез кочана, что минимизирует повреждения растения и сохраняет товарный вид продукции. Точность движений руки позволяет избежать повреждения соседних растений и эффективно позиционировать срезанный кочан.
-
Создание инновационной "Умной корзины" с динамическим механизмом: В отличие от стационарных решений, наша "Умная корзина" представляет собой автономную платформу на гусеничном ходу, оснащенную собственными моторами и высокоточным выдвижным механизмом на реечной передаче. Это позволяет корзине динамически синхронизироваться с манипулятором, подходить непосредственно к месту сброса кочана и надежно принимать его, обеспечивая плавность и безопасность процесса перегрузки урожая.
Весь процесс разработки был построен на итеративном подходе, что позволило нам систематически выявлять и устранять недостатки конструкции. Мы многократно дорабатывали механические узлы, экспериментировали с материалами и компоновкой, чтобы добиться оптимального баланса между практичностью, надежностью и простотой обслуживания. Результатом стало создание устойчивой и долговечной конструкции, способной выдерживать эксплуатационные нагрузки.
Список использованных источников
-
Бишоп, А. Н. Сельскохозяйственные роботы: Инженерные решения и перспективы. 2021
-
Шафран, В. Р. Автоматизация и роботизация в растениеводстве. – М.: КолосС, 2022
-
LEGO Education. Руководство пользователя LEGO MINDSTORMS EV3 Education. – Официальные материалы LEGO Education.
-
https://tumentoday.ru/2024/11/05/v_tyumenskoy_oblasti_polnostyu_zavershen_sbor_urozhaya_2024_goda_/
-
https://region-tyumen.ru/articles/ekonomika_i_biznes/sbor_urozhaya_kapusty_zavershaetsya_na_tyumenskikh_polyakh/
Приложение 1
Изображение 1-2 -Фотография проекта