XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот-сортировщик деталей и товаров по цвету

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Галушко И.Д. 1

---

1МОУ «СОШ № 2 г. Зеленокумска»

Губанов С.Н. 1

---

1МОУ «СОШ № 2 г. Зеленокумска»

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Робототехника и роботы-сортировщики играют все более важную роль в различных отраслях промышленности, таких как автомобильное производство, логистика, медицина, строительство, и даже в бытовой сфере. Однако, наряду с развитием и распространением этих технологий, возникают и некоторые проблемы и вызовы, которые нужно преодолеть. Одной из актуальных проблем является безопасность работы робота. Взаимодействие людей и роботов на производстве или в других областях может создавать опасные ситуации, которые требуют строгого контроля и обеспечения безопасности. Это связано как с самой конструкцией роботов, так и с соблюдением правил эксплуатации и работы с ними.

Также проблемой является точность и надежность работы роботов. Для многих задач, связанных с подбором, перемещением и сборкой объектов, требуется высокая точность и эффективность, которую не всегда удается обеспечить современными технологиями. Такие проблемы требуют постоянного совершенствования и разработки новых методов и алгоритмов. Еще одной проблемой является социальное влияние робототехники на рынок труда. Внедрение роботов-сортировщиков в различные отрасли может привести к изменениям в спросе на квалификацию рабочей силы и уменьшению числа рабочих мест. Это вызывает необходимость разработки новых программ обучения и переподготовки персонала, чтобы обеспечить рабочие места в условиях автоматизации.

Таким образом, хотя робототехника и роботы- сортировщики открывают новые возможности для промышленности и других сфер деятельности, необходимо учитывать и преодолевать различные проблемы, связанные с их внедрением и использование.

Цели и задачи

В области робототехники и роботов-манипуляторов могут быть разнообразны в зависимости от конкретных областей и проблем, которые нужно решать. Ниже приведены основные цели и задачи в этой области:

1. Улучшение безопасности: целью может быть разработка роботов, которые способны работать бок о бок с людьми, минимизируя риск возможной опасности для человеческого персонала. Задачи включают в себя разработку датчиков для распознавания присутствия людей, а также алгоритмов безопасного поведения роботов.

2. Повышение точности и надежности: Целью может быть улучшение точности и надежности работы роботов-манипуляторов, чтобы обеспечить более эффективное выполнение задач. Задачи включают в себя разработку новых методов управления и планирования движений, а также повышение точности датчиков и системобратной связи.

3. Обеспечение социальной устойчивости: Целью может быть минимизация негативного влияния автоматизации на рынок труда. Задачи включают в себя развитие программ обучения и переподготовки персонала, а также создание социальных программ и механизмов поддержки для работников, чьи профессии могут быть затронуты автоматизацией.

4. Развитие новых сфер применения: Целью может быть разработка новых методов и технологий, которые позволят применять роботов-манипуляторов в новых областях, где ранее это было невозможно или неэффективно.

Задачи включают в себя создание специализированных роботов для медицинских процедур, агротехники, строительства и даже космических исследований. Это лишь некоторые общие цели и задачи в области робототехники и роботов-манипуляторов. В каждой конкретной ситуации могут быть выделены дополнительные цели и задачи в зависимости от специфики задач и потребностей конкретной области применения.

План работ

План работы по тематике робототехники и роботов-манипуляторов может включать следующие этапы и задачи:

1. Обзор литературы и научных исследований:

• Изучение современных тенденций и достижений в области робототехники и роботов-манипуляторов.

• Исследование актуальных проблем и вызовов, с которыми сталкиваются исследователи и промышленные компании.

• Анализ научных статей, публикаций, технических отчетов и стандартов в области безопасности, точности и социального влияния робототехники.

2. Анализ потребностей и областей применения:

• Идентификация областей промышленности, где применение роботов-манипуляторов может быть особенно эффективным.

• Определение потенциальных технологических решений для улучшения процессов в этих областях.

3. Разработка концепций и технических решений:

• Разработка концепций новых робототехнических систем, учитывая требования безопасности, точности и социальной устойчивости.

• Исследование и разработка новых методов управления роботами, алгоритмов планирования движений, и новых материалов и компонентов.

4. Тестирование и оценка:

• Проведение экспериментов и тестов новых технологий и систем в реальных условиях или на экспериментальных стендах.

• Оценка эффективности, надежности и безопасности новых решений и технологий.

5. Разработка стратегий внедрения:

• Разработка планов внедрения новых технологий в конкретные отрасли промышленности.

• Оценка социальных последствий внедрения автоматизации и разработка мероприятий по поддержке персонала и общества в целом.

6. Документация и диссеминация результатов:

• Подготовка научных статей, технических отчетов, презентаций и публикаций о достигнутых результатах и технологических решениях.

• Проведение презентаций на конференциях, семинарах и других мероприятиях для обмена опытом и дальнейшего обсуждения результатов. Это общий план работы, который может быть адаптирован под конкретные задачи и потребности конкретного исследовательского проекта или промышленной разработки.

Исследовательская часть проекта

Проблема создания робота-сортировщика товаров по цвету возникает в различных отраслях производства и логистики, где необходимо автоматизировать процессы сортировки и упаковки товаров в зависимости от их цвета. Например, в производстве текстиля, электроники, игрушек, пищевых продуктов и других отраслях, товары часто сортируются и упаковываются в зависимости от их внешнего вида, в том числе по цвету.

Существующие методы сортировки товаров в большинстве случаев включают ручную сортировку, что может быть медленным и трудоемким процессом, а также подверженным ошибкам. Автоматизация этого процесса с помощью робота-сортировщика товаров по цвету позволит увеличить производительность, точность и эффективность операций сортировки.

Таким образом, решение этой проблемы заключается в создании робота-сортировщика, который способен автоматически распознавать цвет товаров и сортировать их в соответствии с заданными критериями. Это может включать в себя разработку комплексной системы компьютерного зрения для распознавания цветов, механизмов захвата и перемещения товаров, и управления роботом. Такой робот-сортировщик может быть широко применен в промышленности для улучшения производственных процессов, повышения эффективности и минимизации ошибок в сортировке товаров по цвету.

История вопроса создания робота-сортировщика товаров по цвету имеет давние корни. Ранее для сортировки товаров по цвету применялись различные методы, включая ручную сортировку, автоматизированные конвейерные ленты с оптическими датчиками и ручное управление робототехническими манипуляторами. В робототехнике уже существуют различные виды роботов-манипуляторов, способных сортировать предметы по определенным параметрам, таким как форма, размер или вес. Однако сортировка по цвету требует более сложной системы, которая включает в себя комплексное компьютерное зрение для распознавания и классификации цветов. С развитием технологий машинного обучения, искусственного интеллекта и компьютерного зрения стали возможными создание более точных и эффективных систем для сортировки товаров по их цвету. Различные компании и исследовательские группы начали разрабатывать технологии, которые могли бы эффективно выполнять эту задачу. Создание робота-манипулятора для сортировки товаров по цвету стало актуальным и востребованным направлением в робототехнике и автоматизированной логистике. Такой робот сможет использовать механические захваты, оборудованные сенсорами и камерами, для точного распознавания цветов и их последующей сортировки в соответствии с заданными критериями. Таким образом, создание робота-сортировщика товаров по цвету представляет собой интересное и перспективное направление в области робототехники и автоматизации производства.

Этапы работы над проектом создания робота-манипулятора для сортировки товаров по цвету могут включать следующие шаги:

1. Определение требований: определение конкретных задач и целей, которые должен будет выполнять робот-сортировщик. Это может включать в себя определение диапазона цветов, которые робот должен распознавать, скорость сортировки, типы товаров, которые требуется обрабатывать, и другие характеристики.

2. Проектирование механической части: разработка механической конструкции манипулятора, включая выбор механизмов захвата, приводов, датчиков и камер для распознавания цветов.

3. Разработка системы компьютерного зрения: создание программного обеспечения и алгоритмов для распознавания цветов на основе данных, полученных от камер и сенсоров.

4. Обучение машинного обучения: обучение робота на распознавание различных цветов и их классификацию с использованием методов машинного обучения.

5. Интеграция системы: сборка и интеграция механической части с системой компьютерного зрения, а также разработка интерфейсов управления и программного обеспечения для координации всех компонентов.

6. Тестирование и отладка: проведение тестовых испытаний робота-сортировщика, выявление и устранение ошибок, настройка и оптимизация работы системы.

7. Внедрение: внедрение разработанной системы в производственную среду и обучение персонала по ее использованию. Каждый из этих этапов требует комплексного подхода, включая тесное взаимодействие между инженерами-разработчиками, специалистами по компьютерному зрению, механиками и программистами.

Первоначальные варианты решения проблемы «за» и «против»

Выбранный вариант (обоснования): мы выбрали данный вариант из-за соединения робота-манипулятора с транспортерной лентой, что делает полностью автоматизированным участок производства.

Техническая часть проекта

Описание конструкции механизмов и их частей

Наш робот создан из конструктора «LegoMindstorms EV3», состоит из трех основных частей:

- основа – это база, на которой держатся все механизмы;

- транспортерная лента – выполняет функцию подачи товаров (деталей);

- рука-манипулятор – сложный механизм, предназначенный для захвата и перемещения предметов.

В конструкции робота-сортировщика используются три больших мотора и средний мотор:

- первый отвечает за движение транспортерной ленты;

- второй отвечает за поворот манипуляторов;

- третий отвечает за наклон руки.

- средний мотор используется для сжатия кисти.

Также используются три датчика:

1 – датчик цвета, который используется как датчик освещенности для остановки подъема руки манипулятора;

2 – датчик цвета RGB, используется для определения цвета товара при сортировке;

3 – датчик касания, используется для ограничения поворота манипулятора, чтобы обеспечить точность остановки и избежать поломки механических частей конструкции.

Описание взаимодействия механизмов

Все модули робота взаимодействуют между собой, а именно, во время запуска транспортерная лента движется в постоянном режиме, подавая товары (детали), пока датчик RGB не увидит товар нужного цвета. Если цвет товара отличается от заданного программой, то робот его пропускает. Ка только датчик RGB определит нужный цвет, транспортерная лента останавливается, а манипулятор запускается, который сначала поворачивается к ленте, опускает руку и берет нужный товар. Далее он сортирует и раскладывает товар по ящикам.

Описание программного обеспечения

После запуска программа запускает бесконечный цикл. В самом цикле запускаются следующие команды: робот на экране показывает галочку, главный блок светится зеленым цветом и издает звук. После этого запускается основная программа. Датчик цвета подключенный ко второму порту, находится в ожидании появления детали любого цвета. Если датчик RGB определяет цвет красный или желтый (заданные нами), то выполняется следующая часть программы:

1 – деталь с красной маркировкой – мотор С поворачивает манипулятор с мощностью 65 на 0,88 оборота. Далее мотор В опускает руку с мощностью 20 на 275 градусов, после мотор А берет деталь рукой. Как только мотор А взял деталь, мотор В начинает поднимать руку до момента, пока датчик освещенности не покажет значение «0» (особенности конструкции, затем робот поворачивает руку, опускает ее и разжимает кисть, далее поднимается по такому же принципу).

Для детали с желтой маркировкой выполняется та же программа, что и для красной, но поворот проходит дальше, на 180 градусов. В конце этой ветки робот возвращается в исходное положение и ждет следующую деталь.

2 – ели подошла деталь не заданного цвета, робот ее пропускает.

3 – совместно с общей программой запускается цикл конвейерной ленты, который повторяется бесконечно. В нем включается мотор D, который постоянно крутит данный механизм, пока датчик RGB не определит заданный цвет (красный и желтый) и не уберет его в соответствующий контейнер.

Выводы

При выполнении проекта мы:

- изучили потребности завода в автоматизированных участках производства;

- изучили основную документацию и познакомились с основными функциями робота-сортировщика;

- изучили языки программирования и программное обеспечение необходимое для работы с роботом;

- разработали программы для робота-манипулятора на платформе Lego Mindstorms EV3

- отработали навыки работы с роботом-сортировщиком (манипулятором) при определении и сортировке разного количества цветов.

Мы считаем, что робототехника дает развитие междисциплинарного понимания предметов. Робототехника объединяет в себе несколько предметов: математику, физику, информатику, технологию и другие школьные дисциплины.

Роботы в будущем упростят нашу жизнь, сделают ее комфортнее и доступнее. Мы сможем изучить вселенную и проникать с помощью автоматизированных, программированных систем туда, куда никогда не сможет добраться человек. Роботы всегда будут нужны людям с ограниченными возможностями, а также тем людям, чьи профессии сопряжены с риском. Роботы будут строить дома и машины. Прекратиться загрязнение окружающей среды, ведь новые технологии практически безотходны.

Во всем мире уже ведутся серьезные исследования, связанные с глобальным риском создания искусственного сверхчеловека. Но создадут его люди! И, может быть, это будем мы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Arduino IDE [электронный ресурс].  URL: https://www.arduino.cc/en/software

2. CorelDraw [электронный ресурс]. URL: https://www.coreldraw.com/ru/

3. Tinkercad [электронный ресурс]. URL: https://www.tinkercad.com/

4. Библиотека [электронный ресурс].  URL: Servosmooth https://alexgyver.ru/servosmooth/

5. Используем сервопривод для Ардуино проектов [электронный ресурс].  URL: https://arduinoplus.ru/arduino-servoprivod/

6. Кран-манипулятор общее устройство и принципы работы [электронный ресурс]. URL: https://r-hod.ru/articles/ustroystvo-manipulyatora-princip-raboty-kran-manipulyatora

7. Манипуляторы и промышленные роботы [электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/9280745/

8. Промышленные роботы и манипуляторы [электронный ресурс]. URL: http://cncnc.ru/documentation/theory_of_mechanismus_and_machines/lect_19.htm

9. Промышленные роботы манипуляторы [электронный ресурс]. URL: http://robo24.ru/promyshlennye-roboty

Процесс сборки

Написание кода

Код

Проверка всех узлов, механизмов и правильности написания программы

Эскиз выполнила ученица 5 класса Кузичева Мария