VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка конструкции мобильного робота для выполнения складских работ.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мухаметов И.И. 1

---

1ГБОУ СОШ №5

Артемова Д.Т. 1

---

1ГБОУ СОШ №5

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность исследования: промышленный робот–сортировщик необходим для замены человеческого труда. При применении робота производительность обычно повышается, так как робот-сортировщик может выполнять необходимые действия значительно быстрее человека, а также 24 часа в сутки без перерывов и остановок. При правильном выборе роботизированной системы производительность возрастает в разы или даже на порядок по сравнению с ручным производством.

Заменяя человека, робот-сортировщик эффективно уменьшает затраты производства на оплату разного рода специалистов. С применением робота на производстве необходимо лишь наличие оператора, контролирующего процесс. Исключение человеческого фактора приводит к уменьшению различных ошибок. Именно роботы способны выполнять действия быстро, безошибочно и без устали. Это позволяет заменить человека на монотонных и тяжелых работах, увеличить производительность труда, повысить качество работы, добиться экономии материалов и энергии.

Проблема: На складах много тяжёлых грузов, которые человек не может быстро отсортировать. Для этого он тратит много времени и усилий. Чтобы быстро и безошибочно совершать данные операции, необходимо создать робота-сортировщика, способного облегчить работу человека.

Цель работы: Сконструировать и запрограммировать робота-сортировщика для складских работ.

Задачи:

1) Провести анализ существующих конструкций. Выявить их преимущество и недостатки.

2) Выполнить моделирование электрической части робота.

3) Выполнить моделирование механики робота-сортировщика.

4) Программирование робота.

5) Испытание робота.

Гипотеза: Можно создать робототехническое устройство на базе Ардуино, выполняющее действия, которые может выполнять человек.

Предмет исследования: робот-сортировщик, приводимый в действие определенными командами.

Методы исследования: теоретический и практический. Теоретический метод: изучение научной-популярной литературы и материал сайтов Интернет. Практический метод: проектирование, конструирование, программирование робототехнического устройства

Продукт исследования: робот должен двигаться при помощи двигателей на колесной паре. На роботе должно быть размещены датчики, выполняющие различные функции, параметры которых устанавливаются при помощи программного обеспечения. Робот должен выполнять все заложенные функции автономно, без связи с компьютером по проводам и передвигаться. Робот двигается по линии, захватывает объект и переносит его в определенное место. Робот находит, определяет местонахождение необходимого товара, поднимает и переносит объект в определенное место.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ДАННОЙ ТЕМЕ.

Цель данной литературы:

- научить использовать средства информационных технологий, чтобы проводить исследования в области робототехнологии,

- Обучить основам программирования, развить навыки составления алгоритмов.

- Обучить проектированию роботов и программированию их действий.

- Через создание собственных проектов показать пользу в применении роботов в нашей жизни.

-Развивать умение работать с компьютерными программами и другими источниками информации.

- обучить техническому моделированию, сборке и программированию роботов.

Cтруктура исследовательской работы: работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, приложений, аннотации, ключевых слов.

Аннотация.Конструирование модели робота-сортировщика, способного выполнять определенные функции, свойственные человеку. При создании

робота на основе Ардуино мы программируем робота на языке С++.

В результате работы над проектом мы сконструировали робота - сортировщика, исследовали выполнение им определенных функций и выяснили, что модель может заменить человека при выполнении работы.

Мы протестировали работу модели на созданной программе и выяснили, что робототехническое устройство работает согласно заложенным командам, то есть при определенных условиях, робот может захватывать, переносить объект, поднимать и опускать его, то есть выполнять работу человека.

В результате мною сконструирована одна модель робототехнического устройства на базе Ардуино, написана программа для его работы на языке С++. Arduino - это маленькое электронное устройство, состоящее из одной печатной платы, которое способно управлять разными датчиками, электродвигателями, освещением, передавать и принимать данные. Робот имеет сложную программу, которая написана на языке Ардуино.При конструировании робота мы исследовали работу моделей и меняли их параметры. Исследовалось прохождение робота по сложной траектории при различной мощности двигателей, что устанавливалось на программе компьютера. Исследовалась настройка датчиков по сбиванию, захвату, переносу объекта. Исследовалась работа сервопрводов по подъему, переносу, опусканию объекта. При помощи имеющегося в наличие деталей Ардуино можно собрать и запрограммировать модель робота-сортировщика, который впоследствии, можно реализовать в промышленную установку для использования в реальных условиях, заменив труд человека. В дальнейшем можно оснастить моего робота-сортировщика сенсорными системами и системами технического зрения. В идеале он должен уметь справляться с задачей разбора предметов из кучи с их точной идентификаций. Я доказал это достигнув поставленной перед собой цели, сконструировав и протестировав модель, которая позволяет выполнять определенные функции. Робот может управляться оператором или работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве.

Таким образом, моя задача - cоздать робототехническое устройство, как модель промышленного робота, способное заменить труд человека.

Глава 1.

Люди издавна хотели создать разные механические устройства. Это было вызвано тем, что человек очень хотел обзавестись помощником, который мог бы выполнять любые работы. Когда же появились первые роботы?

Оказывается, все начиналось с обычных механических кукол, которые были изобретены еще много веков назад. Одна из первых кукол – деревянный голубь, изготовленный приблизительно 350 лет до н.э. Голубь мог вертеться на жерди, его приводила в движение струя сжатого воздуха.

А настоящие роботы появились только с появлением ЭВМ. Эволюция роботов развивалась от простого к самому сложному.

Роботы первого поколения - программные. Жестко заданная программа используются в машиностроении, металлургии, атомной промышленности, для того, чтобы обслуживать станки, печи, прессы, литейные машины.

Роботов второго поколения - адаптивные. Возможность автоматически перепрограммироваться в зависимости от обстановки. Сначала задаются лишь основы программы действий, применяют в основном для сборки деталей, сварки, контроля качества и выполнения других операций. Большое применение эти роботы получили в автоматизированном производстве, быстро перестраивающемся на выпуск новой продукции.

В конце 70 - х годов появился новый тип роботов – роботы третьего поколения – называемые также интеллектуальными роботами. Робот обладает возможностью принимать решения или планировать свои действия в распознаваемой им неопределенной или сложной обстановке. Эти роботы снабжены современным алгоритмическим обеспечением, они обладают способностью зрительно воспринимать модель внешней среды, анализировать и распознавать сходные ситуации и даже понимать язык и вести в устной форме диалог с человеком. Но самая важная особенность этих роботов – способность самообучаться в процессе решения поставленных человеком задач, что неограниченно расширяет их возможности.

Так как определяют робототехническое устройство современные технологии?

Существует мнение, что в 2050 году роботы будут выполнять работу за человека. Они сильно изменят жизнь человечества, смогут провести воду в те районы, которые страдают от засухи. В наших домах будут находиться

роботы-помощники, которые будут сосуществовать с людьми. На предприятиях эти роботы заменят труд человек.

В настоящее время роботы не обладают искусственным интеллектом, но человечество идёт большими шагами к достижению этой цели. Появились машины, способные выполнять сложнейшие хирургические операции, которые очень часто не под силу самому человеку исполнять инженерные задумки, помогать армии и полиции в трудных ситуациях, работать в космосе, помогать людям с ограниченными физическими возможностями или просто смотреть, видеть, учиться.

Таким образом, робот – это технический комплекс, предназначенный для выполнения различных движений и некоторых интеллектуальных функций человек, обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения вычислительно-логических задач. Физический труд является изнурительным процессом, в ходе которого нередко человек расплачивается своим здоровьем. Например, когда речь идёт о переноске тяжестей, существует повышенная возможность растяжения мышц, ест шанс заработать грыжу. Сегодня такую проблему может решить njkmrj использование робота. В связи с этим все чаще становится актуальным использование робототехнических устройств способных заменить человека.

Робот — это автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или полностью заменяет человека при выполнении работ. Мы выяснили, что робототехническое устройство работает согласно заложенным командам, то есть при определенных условиях, робот может захватывать, переносить объект, поднимать и опускать его, то есть выполнять работу человека.

Складские роботы - это роботы, предназначенные для ведения операций на складах. Существует уже несколько их разновидностей, а также комплексные решения автоматизации складов, например, промышленные манипуляторы, мобильные роботизированные тележки, паллетайзеры.

Роботы-тележки способны перемещать палетты по территории склада. Некоторые из них способны автоматически снимать нужные товары с полки и помещать их в контейнеры или на палетту, а также, наоборот, - раскладывать товары по полкам. 

Некоторые изделия требуют для использования подготовки склада - разметки на полу или установки специальных меток на стенах и полках. Появляются также системы, не требующие разметки склада - они ориентируются на системы технического зрения с распознаванием образов на базе встроенного ИИ, например, система TORU Cube разработки Magazino. 

Роботы-паллетайзеры - это промышленный манипулятор, приводимый в движение серводвигателями, предназначенный для автоматического захвата и укладки продукции на паллеты.  

Роботы-сортировщики - незаменимы при упаковке товаров. В идеале они должны уметь справляться с задачей разбора предметов из кучи с их точным распознованием. Это можно делать, если иметь цифровую базу трехмерных изображений всех предметов, которыми манипулирует робот. 

Существует группа роботов, предназначенных для работы на складах, например, один из роботов снимает с полок товары, другие перевозят эти товары к точке выдачи. 

С помощью беспилотников научились проводить быструю инвентаризацию складов с высокими полками.

Специальное предложение 2017 года - это интегрированное решение для роботизации склада, способные оптимальным образом управлять людьми и роботами на складе, в том числе роботами различных производителей. Такие решения готова предлагать, например, американская Vecna.

На март 2017 года российские решения для роботизации складов заметно уступают импортным по своим возможностям. 

ПЛЮСЫ использования роботов-сортировщиков для складских работ:

-большие возможности улучшения производства;

- снижение себестоимости производства за счет сокращения человеческой рабочей силы;

- отсутствие человеческого фактора в производственном процессе;

- высокая производительность и результативность автоматических устройств;

- возможность использования в опасных и вредных для человека условиях.

-рациональность использования производственных помещений;
- достаточно быстрая окупаемость

-повышение точности выполнения технологических операций.

Минусы использования роботов-сортировщиков для складских работ:

- социальный фактор (сокращение рабочих мест);

-высокие первоначальные затраты на внедрение таких устройств;

- необходимость содержать дорогостоящего специалиста для текущего обслуживания и ремонта сложной техники;

- целесообразность использования только на крупных производствах;

- вероятность сбоев, что может серьезно повлиять на производство;

- отсутствие человеческой гибкости в нестандартной ситуации - робот выполняет только то, на что запрограммирован.

ГЛАВА 2

Описание сборки робота-сортировщика.

Перед сборкой была продумана электрическая часть робота. В качестве управляющей платы решено было использовать аналог платы Arduino от производителя Robot Dyn. По характеристикам данная плата практически не отличается от оригинала, но гораздо дешевле. Плата выполняет роль «мозга робота», управляя его действиями с помощью написанной заранее программы.

Ниже приведена смета на комплектующие, необходимые для изготовления робота:

Всего: 2550 руб.

Также для сборки робота использовались имеющиеся детали:

-Платформа из оргстекла 2 шт., макетная плата, кнопка включения,

-крепёжные детали и провода.

Робот после сборки выглядит так:

Для сборки робота мы использовали две пластины из оргстекла, соединили их между собой крепёжными деталями (стойки, винты и гайки с резьбой М3), закрепили на них все детали (плату, драйвер, датчики и т.д).

Для движения робот оснащён двумя моторами постоянного тока, которые управляются специальной платой – драйвером. Эта плата принимает аналоговые и цифровые сигналы от платы Arduino и подаёт питание на моторы. При этом аналоговые контакты (пины E1 и E2) используются для управления скоростью моторов, а цифровые контакты (пины IN1 и IN3) используются для управления направлением вращения моторов.

Для того чтобы ориентироваться в пространстве робот оснащается электронными органами чувств – датчиками. На нашем роботе установлено 2 датчика линии, с помощью которых робот может двигаться по заранее проложенной траектории (чёрная линия), например при движении со склада на пункт выдачи готовой продукции.

Кроме этого у робота есть ультразвуковой датчик препятствия, который помогает роботу избегать столкновений с препятствиями и другими складскими роботами. Несколько роботов могут двигаться по одной и той же траектории, не мешая друг другу.

Для автономной работы роботу необходимо питание. Решено было использовать раздельное питание: 3 батарейки 18650 с напряжением 3.7V (для питания моторов) и батарейка типа «Крона» с напряжением 9V (для питания платы и датчиков).

Для обнаружения объектов используется ещё один датчик линии.

В дальнейшем планируется доработать конструкцию робота: присоединить манипулятор, который позволит захватывать объекты после их обнаружения.

Глава 3.

Конструирование.

   Оборудование для сборки, программирования и испытания робота:

ноутбук, ресурсный набор,  USB провод. Ноутбук – для написания программы и для дистанционного управления через USB провод, детали Ардуино. Arduino - это маленькое электронное устройство, состоящее из одной печатной платы, которое способно управлять разными датчиками, электродвигателями, освещением, передавать и принимать данные.

Плюсы Aрдуино.

1.Простота.

2.Популярность.

3.Доступность.

4.Дешевизна.

Минусы Ардуино.

1.Малая частота микропроцессоров. Нет возможности её изменить.

2.Малый объем памяти для сохранения программ.

3.Слишком простая оболочка программы. Неудобный редактор кода.

Программирование.

   Никакому автономному роботу, конечно же, не обойтись без программы. Язык C++ представляет собой набор команд, которые говорят компьютеру, что необходимо сделать. Этот набор команд, обычно называется исходный код или просто код. Командами являются или «функции» или «ключевые слова». Ключевые слова (зарезервированные слова С/С++) являются основными строительными блоками языка.

 Программа представляет  собой последовательность команд (блоков). Каждая команда имеет свои параметры, заданные в меню настроек. Команды записаны последовательно, для основных этапов движения я выполнил

краткое описание, что бы можно было наглядно продемонстрировать программу на занятиях.

   Робот имеет  сложную программу, которая написана на языке Ардуино. Ниже представлен код программы, с помощью которой робот двигается по линии и может определять цвета объектов (грузов) для их дальнейшего захвата и перевозки.

int in1 = 5;

int in3 = 6;

int e1 = 9;

int e2 = 10;

int pins [4] = {5, 6, 9, 10};

int k = 30;

int baza = 17;

void setup()

{

for (int i = 0; i <= 3; i++)

{

pinMode(pins[i], OUTPUT);

}

for (int i = 7; i <= 12; i++) {

pinMode(i, OUTPUT);

}

setFrequency(2);

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

int sensorLeft = analogRead(A0);

int sensorRight = analogRead(A5);

int sensorCargo = analogRead(A3);

int delta = sensorLeft - sensorRight;

int popravka = delta / k;

int m1 = baza - popravka;

int m2 = baza + popravka;

if (sensorCargo<300)

motor(0, 0);

else

motor(m1, m2);

}

void motor(int v1, int v2)

{

v1 = constrain(v1, -100, 100);

v2 = constrain(v2, -100, 100);

v1 = map (v1, -100, 100, -255, 255);

v2 = map (v2, -100, 100, -255, 255);

digitalWrite(in1, v1 < 0);

digitalWrite(in3, v2 < 0);

analogWrite(e1, abs(v1));

analogWrite(e2, abs(v2));

}

 Характеристика теоретического исследования: исследования показывают, что возможно одновременная реакция   установленных  датчиков с меняющимися параметрами, устанавливаемыми в программе.

 Также исследования показывают, что  при помощи робототехнического конструктора и компьютера с соответствующим программным продуктом возможно создание действующей модели  промышленного робототехнического устройства.

Исследования.

   При конструировании робота мы исследовали работу моделей, а также меняли их параметры.

   Исследовалось прохождение робота по сложной траектории при различной мощности двигателей, что обязательно устанавливалось на программе компьютера.

   Исследовалась настройка датчиков по сбиванию, захвату, переносу  объекта.

Исследовалась работа сервопрводов по подъему, переносу, опусканию объекта.

Результаты.

   Робот двигается с различной скоростью при изменении в программе настроек мощности двигателей, также изменяет количество оборотов за единицу времени, функций торможения и качения.

   Робот также двигается по заданной траектории.

  Робот захватывает объект и переносит его в определенное место.

   Робот двигается прямолинейно, криволинейно, по окружности или по сложной траектории, согласно заложенной программе.

   Робот передвигается по плоскости, поднимает и опускает груз.

   В результате мною сконструирована одна модель робототехнического устройства, написана программа для его работы на языке С++.

Датчики могут работать согласованно и одновременно, если соблюдать определенные технические условия. Для данной модели робота погрузчика написано программа работы  сервоприводов.

Основные выводы:

 При помощи конструктора можно собрать и запрограммировать модель робототехнического устройства, которое можно реализовать в промышленную установку для использования в реальных условиях, заменив труд человека.

Но в дальнейшем можно оснастить моего робота-сортировщика сенсорными системами и системами технического зрения. Такие роботы могут быть использованы для сортировки и отбраковки продукции. Современные системы технического зрения позволяют производить сортировку продукции по форме, цвету и другим характеристикам. В других случаях для выяснения характеристик и параметров продукта используются различные датчики и сканеры. В зависимости от результатов робот может сортировать продукцию, направляя ее на дальнейшую обработку на разные линии или отбраковывая, если продукция не соответствует нормам.

Из многочисленных объектов робот должен выделить те, которые ему необходимы для выполнения каких-то действий. Он должен уметь различать признаки объектов и классифицировать объекты по этим признакам. Это происходит благодаря тому, что робот имеет в памяти прототипы образов нужных объектов и сравнивает с ними те, что попадают в поле его зрения.

Робот ищет в окружающей среде нужный предмет путем изменения ориентации своего взгляда,

2. Измеряет дальность до объектов наблюдения.

3.Автоматически подстраивает видеодатчик в соответствие с освещенностью предмета,

4.Сравнивает каждый предмете «моделью», которая хранится в его памяти, по нескольким признакам, выделяет контуры, текстуру, цвет и другие признаки. В результате всего этого происходит «узнавание» объекта.

Подобного робота можно использовать на крупных складах пищевой промышленности, легкой промышленности, медицинских и прочих.

В идеале он должен уметь справляться с задачей разбора предметов из кучи с их точной идентификаций. Это можно делать, например, если иметь цифровую базу трехмерных изображений всех предметов, которыми манипулирует робот

Заключение.

   Моя гипотеза полностью подтвердилась: существует реальная возможность  создать робота-сортировщика ,  который выполняет действия человека, перемещающегося по сложной траектории, захватывающего, переносящего, поднимающего и опускающего  объект.

   Я доказал свою гипотезу, достигнув поставленные перед собой цели,  сконструировав и протестировав модели, которые позволяют выполнять определенные функции.

   Робот может управляться оператором или работать по заранее составленной программе. Использование роботов-сортировщиков позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве.

    Я считаю, что за мобильными роботами  -  будущее человечества. Но, помимо этого, занятие робототехникой очень интересно.

Таким образом, в ходе реализации проекта у меня сформировались умения и навыки:

-самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования роботов (планирование предстоящих действий, самоконтроль, применять

полученные знания, приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов и т.д.);

-создавать действующие модели роботов ;

-создавать программы на компьютере на основе компьютерной программы ;

-корректировать программы при необходимости;

-демонстрировать технические возможности роботов;

- логически правильно действие своей модели (проекта).

Вывод:

В результате реализации проекта «Робот-сортировщик» у меня получилась модель робота. Перспективы развития проекта :

-создание новых моделей роботов,

-участие в различных состязаниях робот,

-довести программу до конца.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1.Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 классов/Д.Г.Копосов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 87 стр.

2.Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2010, 195 стр.

3.Образовательная робототехника в дополнительном образовании школьников: Методическое пособие/ Гинзбург Е.Е., Винокурова А.В. – Йошкар-Ола: ОАНО «Инфосфера», 2011. – 32 стр.

4.Программное обеспечение MINDSTORMS NXT 2.0 .Список литературы для школьников:

5.Г.Копосов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012

6.Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2010,

7.Образовательная робототехника в дополнительном образовании школьников: рабочая тетрадь/ Гинзбург Е.Е., Винокурова А.В. – Йошкар-Ола: ОАНО «Инфосфера», 2011

8.Интернет ресурсы:

http://www.wroboto.org/

http://www.roboclub.ru/