Роботизированный комплекс по сбору мусора

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Роботизированный комплекс по сбору мусора

Каширин П.А. 1Косоротов А.Д. 1Савчин Е.И. 1
1Студия PROречь г. Симферополя
Нудьга А.А. 1
1Студия "PROречь" г. Симферополя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Современная городская среда характеризуется высоким уровнем загрязнения отходами жизнедеятельности. Проблема утилизации бытовых отходов становится всё острее, особенно в крупных городах и мегаполисах. Эффективный сбор мусора является одной из ключевых составляющих экологической устойчивости населённых пунктов. В связи с этим возникла необходимость разработки автоматизированных решений, позволяющих упростить процесс уборки территорий. Использование роботизированных комплексов способно значительно повысить эффективность очистки городских улиц и снизить нагрузку на человеческий труд.

Актуальность выбранной темы обусловлена растущими экологическими проблемами и необходимостью внедрения инновационных технологий в процессы городского хозяйства. Создание робота-мусоросборщика позволит сократить расходы на обслуживание инфраструктуры городов, повысит уровень чистоты и комфорта проживания горожан.

Целью настоящей работы является разработка управляемого компьютерным интерфейсом комплекса для сбора мусора на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

  1. Изучить современные конструкции мусоросборочных машин и определить возможности реализации аналогичных функций с использованием конструкторов LEGO.

  2. Проанализировать компоненты набора LEGO WeDo 2.0 и выбрать оптимальные решения для сборки функциональной модели.

  3. Создать мобильную платформу (тележку), способную перемещать собранный мусор.

  4. Спроектировать и построить манипулятор, обеспечивающий подъем и укладку мусора в кузове тележки.

  5. Реализовать программное обеспечение, управляющее движением модели, включая поворот и перемещение.

  6. Написать алгоритм управления положением манипулятора, включающего операции захвата и складирования мусора.

При подготовке проекта была проведена работа с научной литературой, посвящённой автоматизации процессов переработки отходов, инновационным разработкам в области городской экологии и робототехнике. Использованы методические пособия по конструированию и программированию LEGO WeDo 2.0, а также справочная документация производителя LEGO Education.

Анализ специализированной литературы показал наличие множества готовых решений для построения моделей различной степени сложности, однако ни одно из них не представляло собой полноценную систему, предназначенную именно для автоматического сбора мусора.

Несмотря на значительное количество публикаций и разработок в сфере робототехники, специализированные роботизированные комплексы для сбора мусора остаются редкостью среди проектов учащихся среднего школьного возраста. Поэтому данная тема представляет интерес с точки зрения образовательного процесса и формирования практических навыков инженерии и программирования.

Авторы провели самостоятельный анализ существующих конструкций мусоросборщиков, выбрали наиболее подходящие детали LEGO для реализации своей идеи, спроектировали и собрали подвижную платформу и манипулятор. Важнейшим этапом стало написание программного обеспечения, управляющего всеми действиями робота.

Таким образом, настоящая работа направлена на создание прототипа робота, выполняющего задачи автоматической уборки территории и демонстрацию возможностей интеграции конструкторских и программных компонентов для решения реальных проблем современного города.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1. Обзор существующих моделей мусоровозов

На сегодняшний день коммунальная техника производится широким кругом как отечественных, так и зарубежных компаний. Современные производители стремятся внедрять передовые технологии в свою продукцию, однако не все разработчики внедряют цифровые двойники техники на этапе проектирования. Хотя использование цифровых аналогов существенно снижает затраты на разработку и помогает предотвратить инженерные ошибки, этот подход пока ещё находится в стадии активного развития и широкого распространения не получил.

В настоящий момент отечественная техника представлена следующими моделями:

  1. АО «Мценский завод "Коммаш"» (https://www.kommash.com/)

    1. Мусоровозы серии КО-449 с боковой загрузкой

    1. Мусоровозы с задней загрузкой с крано-манипуляторными установками

    1. Мусоровозы контейнерные серии КО-450 предназначены для сбора твердых бытовых отходов и крупногабаритного строительного мусора

    1. Мусоровозы с задней загрузкой

  1. Ряжский авторемонтный завод (https://rarz.ru/)

    1. Мусоровоз с боковой загрузкой (МР-5)

    1. Мусоровоз с задней загрузкой

    1. Мусоровоз-контейнеровоз

  1. ИТМ-Спецмашина (https://itm-spm.ru/)

    1. Мусоровоз с задней загрузкой

3.2 Мусоровоз с с вращающимся барабаном

  1. Завод КДМ (https://kdmsmolensk.ru/)

    1. Мусоровоз с задней загрузкой

Обзор литературы позволил выявить следующие проблемы производства современной коммунальной техники:

  1. Недостаточное применение цифровых инструментов. Многие российские производители не используют цифровое моделирование и симуляцию, предпочитая традиционные методы испытаний, что увеличивает стоимость конечного продукта и замедляет внедрение инноваций.

  2. Высокие требования к качеству материалов и комплектующих. Производителям приходится учитывать специфику эксплуатации мусоровозов, работающих в сложных условиях, что влияет на долговечность и надежность выпускаемой техники.

  3. Необходимость соответствия современным экологическим стандартам. Ужесточающиеся нормы выбросов и ограничения на шум вынуждают разработчиков постоянно совершенствовать двигатели и снижать негативное воздействие техники на окружающую среду.

Современные тенденции рынка показывают снижение привлекательности профессий, связанных с уборкой и переработкой отходов. Недостаток квалифицированных кадров усугубляется низкой престижностью данной отрасли, несмотря на высокие заработные платы. Однако автоматизация и развитие дистанционного управления позволяют изменить ситуацию.

Переход к дистанционному управлению мусоровозами сделает рабочую специальность менее физически тяжелой и привлекательной для работников с ограничениями здоровья. Автоматическое оборудование требует меньшего количества персонала, сокращая потребность в найме большого числа сотрудников. Повышение уровня квалификации операторов позволит эффективнее решать возникающие технические трудности и увеличить производительность труда.

Хотя полностью автономные транспортные средства активно развиваются, ряд факторов препятствует их повсеместному применению в городском хозяйстве:

  1. Недостаточно развитая правовая база, регулирующая движение беспилотных автомобилей.

  2. Некачественное дорожное покрытие и отсутствие четких дорожных знаков затрудняют функционирование автономных транспортных средств.

  3. Специфичность работ, связанных с эксплуатацией коммунальных машин (работа на узких улицах, взаимодействие с людьми и препятствиями).

Учитывая перечисленные факторы, перспективным направлением представляется создание полуавтономных или дистанционно управляемых мусоровозов. Такая технология позволит обеспечить безопасность и удобство эксплуатации техники, снизив нагрузку на оператора и повысив общую эффективность рабочих процессов.

  1. Создание прототипа роботизированного комплекса для сбора мусора

Наша задача заключается в создании экспериментального образца роботизированного комплекса по сбору мусора, основанного на конструкторе LEGO WeDo 2.0. Этот проект направлен на исследование основных механизмов и алгоритмов, необходимых для эффективного функционирования подобной техники. Мы планируем провести тестирование базовых инженерных решений, протестировать управляющие программы и оценить возможные способы взаимодействия оператора с устройством.

Такой подход позволит изучить практические аспекты создания роботизированных устройств, развить навыки командной работы и предложить экономически обоснованное техническое решение, которое сможет облегчить проблему нехватки рабочей силы в сфере обслуживания городских объектов.

Слева направо: Каширин Павел, Савчин Егор, Косоротов Александр.

Работа началась с разделения сфер ответственности. Каширин П. приступил к сборке манипулятора, Савчин Е. к поворотному механизму для шасси, а Косоротов А., к сборке рамы, ведущих колес и кузова.

Для осуществления задуманного проекта ребятам понадобилось следующие основные элементы: 2 смартхаба, 4 мотора, зубачые шестеренки разного диаметра, 6 колес.

Первый прототип был собран за 5 часов.

Для управления была написана программа.

В процессе работы для более тонкой настройки мощности работы двигателя и времени работы двигателя было принято решение перейти на управление в Скрейч.

Программы для управления движением мусоровоза.

Программа для управления манипулятором.

В ходе эксплуатации принято решение, что управлять данной моделью необходимо двум людям. Один выполняет роль водителя-оператора, второй управляет манипулятором. Управление происходит параллельно с двух разных компьютеров.

Проект по созданию роботизированного комплекса для сбора мусора на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 позволил нам успешно реализовать цель исследования и достичь всех запланированных задач. Основные итоги работы включают следующее:

–Разработана конструкция мобильной платформы, состоящая из трех частей: рамы, ведущего колеса и корпуса.

–Сборка манипулятора обеспечила функциональность подъема и укладки мусора в кузов тележки.

–Программа управления позволила оператору эффективно контролировать движение и положение манипулятора.

–Тестирование показало высокую точность и стабильность исполнения команд, а также возможность параллельного управления двумя операторами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наш проект стал отличным примером комплексного подхода к решению реальной технической задачи. Благодаря разделению обязанностей и эффективному взаимодействию членов группы удалось оперативно разработать рабочий прототип устройства, который продемонстрировал хорошие показатели производительности и надежности.

Настоящий проект завершился созданием работоспособного прототипа роботизированного комплекса для сбора мусора на базе конструктора LEGO WeDo 2.0. Проект достиг основной цели — разработке автоматизированного устройства, способствующего повышению эффективности очистки городских территорий и снижению нагрузки на человеческие ресурсы.

Реализация проекта подтвердила актуальность изучения и применения инновационных подходов в сфере урбанистики и защиты окружающей среды. Выполненные задачи позволили углубленно исследовать особенности современных методов обработки отходов и определить пути их адаптации к школьникам.

Основные итоги работы заключаются в следующем:

–Разработаны и испытаны базовые инженерные механизмы, позволяющие создавать мобильные платформы и манипуляционные устройства.

–Освоены принципы написания и тестирования компьютерных программ, управляющих движениями робота и работой манипуляторов.

–Осуществлено изучение и адаптация рекомендаций специальной литературы по робототехнике и автоматизации процессов переработки отходов.

Полученный опыт доказал, что даже с простыми инструментами, такими как LEGO-конструктор, школьники способны разрабатывать реальные проекты, способные внести значительный вклад в улучшение состояния городской среды.

Создание прототипа послужило отличной иллюстрацией возможностей интеграции конструкторских и программных решений для решения актуальной социальной и экологической проблемы. Данная работа имеет образовательное значение, способствует развитию навыков инженерного творчества и формированию компетенций, востребованных в современном мире высоких технологий.

Заключение подтверждает важность внедрения робототехнических решений в сферу городского хозяйства и подчеркивает значимость образовательных инициатив, направленных на подготовку будущих инженеров и исследователей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Авраменко И.В., Фролова Т.А. Робототехника в образовании: основы, практика, перспективы. СПб.: БХВ-Петербург, 2023 г.

  2. Морозов К.Н. Конструктор LEGO WeDo 2.0: руководство по началу работы. Москва: Альянс-Пресс, 2024 г.

  3. Сергеев Д.Г. Основы программирования в Scratch: учебное пособие. Москва: Мир образования, 2023 г.

  4. Тихонов Г.И. Инженерия мобильных платформ: проектирование и эксплуатация. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2024 г.

  5. Якимец Ю.М. Техника автономного вождения: современное состояние и перспективы развития. Воронеж: Научная книга, 2023 г.

Просмотров работы: 13