VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот – помощник
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды, после того как мои родственники приобрели робот-пылесос, я задумался: «Как создаются роботы-помощники? И кто над этим работает?»Поэтому мною было решено сделать своего робота-помощника.
Мне стало интересно попробовать себя в роли инженера-изобретателя. Я занимаюсь в кружке робототехники СЮТ и решил сделать своего робота-помощника.
Цель исследования: изготовить и провести испытание модели устройства, помогающего в уборке дома из конструктора LEGO Mindstorms NXT.
Задачи
Узнать роль роботов в быту человека.
Изучить схемы и конструкции аналогичных устройств.
Выбрать наиболее подходящую схему для сборки.
Изготовить робота-помощника и провести его испытание.
Выбрать алгоритм передвижения, написать программу.
Предмет исследования: самодельное устройство из конструктора LEGO Mindstorms NXT.
Гипотеза: я предполагаю, что робота, помогающего в уборке дома можно сделать, а его применение существенно облегчит домашний труд.
Объект исследования: наиболее подходящая конструкция робота и алгоритмы его передвижения.
Методы исследования:
анкетирование;
изучение информации в сети интернет;
анализ технических инструкций подобных роботов;
эксперимент;
анализ полученных данных.
Анкетирование
Мною было проведено анкетирование в классе. Ответило 30 человек. Им было задано 5 вопросов и предложены варианты ответов. Вопросы в Приложение 1.
В результате выяснилось, что данная тема является действительно актуальной для большинства опрошенных, многие хотели бы узнать больше информации.
Большинство считает, что роботам можно доверить уборку жилья, но в то же время многие ответили, что роботы не могут заменить человека, а робот-собака не заменит живой собаки.
Многие опрошенные так же хотели бы позаниматься робототехникой.
Глава 1. Основная часть
1.1 Виды роботов помощников.
В настоящее время роботы применяются во всех сферах человеческой деятельности. Предлагаются такие виды роботов помощников:
• Робот-газонокосилка(рис.1).
• Многофункциональный робот для чистки окон и стекол (рис.2)
• Робот-качалка, который повторяет движения мам, укачивающих малышей на руках (рис.3).
• Роботы-уборщики(рис.4).
1.2 Виды роботов-уборщиков
«Современные роботы-уборщики по виду уборки условно можно разделить на следующие категории:
использующие только силу всасывания: на днище находится узкая щель, через которую производится всасывание мусора в пылесборник. Основное их предназначение - сбор пыли, шерсти, и легковесного мусора с ровных поверхностей.
использующие силу всасывания и турбощетку: у данных моделей на днище находится вращающаяся с большой скоростью щетка, которая заметает мусор в пылесборник. Одновременно с этим происходит всасывание воздуха через отверстие, что позволяет собрать облако пыли, создаваемое турбощеткой. Данные роботы способны собирать любой мусор с ровной поверхности и производить чистку верхнего слоя ковровых покрытий.
использующие силу всасывания и двойную турбощетку: у данных моделей на днище две расположенных вплотную к друг-другу щетки, вращающиеся с большой скоростью в противоположных направлениях. Одна щетка предназначена для заметания мусора в пылесборник, вторая - для поднятия ворса ковровых покрытий. Одновременно с этим происходит всасывание воздуха.
влажный полотер - на днище робота крепится тряпочка из микрофибры, которая постоянно увлажняется посредством капиллярной системы из резервуара с водой.
сухой полотер (альтернативное называние: "робо-швабра"). На днище робота крепится тряпочка из микрофибры, которой робот "вытирает" пол. Если робот содержит особый алгоритм передвижения, то весь мусор робот "везёт" перед собой. В противном случае, мусор разносится от центра комнаты к углам. Обычно тряпочку разрешается намочить перед запуском уборки - таким образом, можно получить функцию влажного полотера на небольшой площади.
моющий робот - отличительной особенностью являются смачивание поверхности из бака с водой и последующий сбор образовавшейся грязи в отдельный резервуар. Роботы из данной категории требуют довольно сложные и длительные процедуры по обслуживанию [1]
Рассмотрев виды роботов-пылесосов, я пришел к выводу, что в своей модели я буду использовать вид робота сухой - полотера, так как данный вид наиболее прост в реализации.
1.3 Устройство и принцип работы
«Для работы робот-пылесос использует внутренние аккумуляторы (Ni-MH,Li-ion и LiFePo4[2]) и нуждается в регулярной подзарядке от специального модуля - «Базы» (также часто на роботе присутствует гнездо для ручной зарядки - но данная возможность обычно не используется). Большинство моделей умеют самостоятельно находить «Базу» и подключаться к ней по завершению уборки. Зарядка занимает порядка 2-5 часов (в зависимости от типа и емкости аккумуляторов).» [1]
1.4 Используемые датчики в роботах- уборщиках
«Необходимым частью робота-пылесоса являются его датчики, с помощью которых робот может ориентироваться в пространстве:
ультразвуковые дальномеры. В настоящее время практически не используются.
контактные датчики препятствий — датчик на бампере позволяет регистрировать удары о стены, мебель.
бесконтактные датчики препятствий - состоящие из источника инфракрасного излучения и измерителя величины отраженного сигнала. Позволяют роботу останавливаться в 1-5 см от препятствия, тем самым сохраняя себя и мебель от царапин. Из-за особенности конструкции, регистрирует препятствия только на определённой высоте (2-4 см от пола). Плохо реагирует на черные поверхности.
«виртуальная стена», которая позволяет ограничить пространство уборки - источник узкого луча инфракрасного излучения, воспринимаемый роботом как препятствие. В некоторых моделях, «виртуальная стена» может «общаться» с роботом.
«координатор движения» - по сути, это «виртуальная стена», которая может включаться и выключаться самостоятельно. Служит для удержания робота в одной комнате до ее полной уборки, после чего «координатор движения» выпускает робота из комнаты и не пускает обратно в уже убранную комнату. Используется для более эффективной работы роботов со случайным маршрутом движения.
инфракрасные датчики в нижней части устройства, которые не позволяют устройству упасть с лестницы. Из-за особенностей работы данных датчиков, роботы воспринимают черные поверхности (чаще всего - резиновые коврики) как непреодолимое препятствие (думая, что перед ними пропасть).
видеокамеры (направленной вперед или вверх) и технологии машинного зрения. Недостаток: плохо работают в темноте.
Рассмотрев все виды датчиков было решено использовать датчик-касания, он входит в набор LEGO NXT, а после испытаний пришлось добавить датчик-гироскоп из конструктора EV3.
1.5 Достоинства и недостатки роботов-уборщиков
Роботы-уборщики широко вышли на рынок относительно недавно, но уже успели сильно эволюционировать и стали самыми распространенными бытовыми роботами в нашей стране и во всем мире. Однако с момента их появления (2009 год) по настоящий момент в обществе не утихают споры об их пользе и оправданности такого приобретения. Ведь устройство так и осталось достаточно дорогим - его стоимость, порой, превышает цену классического мощного пылесоса для ручной уборки в 3-4 раза. Чего нельзя сказать о мощности и принципиальной возможности собирать загрязнения с пола, поскольку робот мобилен и питается от аккумуляторов, которые на текущем уровне развития технологий не способны запасать энергию в «киловатных» масштабах, доступных из розетки для обычных пылесосов.
Большинство роботов-пылесосов используют случайный маршрут движения используя поочередно один из алгоритмов: движение по прямой, движение по зигзагу, движение по спирали, движение вдоль стен. Данный алгоритм не гарантирует, что по окончанию уборки всё будет убрано, однако при ежедневной уборке, вероятность оставшихся неубранных участков стремится к нулю.
Более дорогие модели роботов строят в памяти «карту помещения», и планируют оптимальный маршрут движения по данной карте - это позволяет существенно уменьшить длительность уборки.» [1]
Глава 2 Практическая часть
2.1 Устройство работа
Первую версии робота я собирал по инструкции. У робота колес не было, а на днище было два уборочных диска, к которым крепится ткань. С помощью этих дисков робот «вытирал» пол и двигался, но оказалось что трение было недостаточным и робот двигался хаотично и неуправляемо по кругу, что соответственно снижало качество уборки. Необходимо, чтобы робот имел особый алгоритм передвижения, тогда весь мусор будет собран.
Первые испытания прошли неудачно, я понял свои ошибки и сделал другую модель робота из конструктора LEGO Mindstorms NXT.
В следующей версии робота я сделал два колеса, один уборочный диск, впереди установил датчик касания, изменил крепление блока управления, сделал заднюю опору.
Испытания показали что робот не всегда делал нужный поворот, поэтому для более точного поворота был добавлен датчик-гироскоп. И в связи с этим был использован более новый конструктор EV3 с другим блоком и моторами.
Эволюцию робота можно увидеть в Приложение 2
С помощью резинок на диске нужно закрепить чистящую ткань.
Несколько минут работы робота и ваш пол станет немного чище.
2.2 Программа и принцип работы
Код для программы был написан в среде разработки EV3 Programming. Моя программа обеспечивает движение робота с одновременным вращением щётки для механической очистки поверхности от мусора. Стандартный датчики касания обеспечивают обнаружение препятствий при непосредственном контакте с препятствием, происходит остановка робота, затем задний ход с поворотом и изменением направления, далее снова движение вперед. Таким образом, движение происходит по траектории «змейкой», что обеспечивает более тщательную и последовательную уборку поверхности. При усовершенствовании робота отдельно был написан программный блок поворота с датчиком гироскопа.
2.3 Испытания
|
Тип поверхности |
Характер движения, |
Качество уборки |
|
Каменная плитка |
ровное движение |
вся поверхность убрана |
|
Линолеум |
ровное движение |
вся поверхность убрана |
2.4 Предложения по улучшению конструкции
Надо подметить, что робота хотелось бы доработать, так как полотёр хоть и неплохо справляется со своей задачей, но все-таки было бы хорошо, потом добавить в конструкцию робота насос, который бы всасывал в пылесборник крупные частички мусора.
3. Заключение
В результате данного исследования был изготовлен робот из конструктора и его испытания прошли успешно. Конечно, он отличается от роботов, которые продаются в магазине, но также поможет быстро и эффективно провести уборку по дому своему владельцу.
Также в результате своей исследовательской работы я узнал, какие виды роботов-уборщиков существуют и какие виды датчиков на них используются, понял принцип работы датчика-касания и датчика-гироскоп.
Я понял, что роботы-помощники нужны людям, они могут облегчить труд.
4. Список использованной литературы
1) http://edurobots.ru/
2) http://www.proghouse.ru/article-box/58-floor-washer
3) https://ru.wikipedia.org
Приложения
Приложение 1
Анкетирование
Опрос показал следующее.
Как вы считаете, нужны ли роботы человеку для уборки жилья?
Да – 10, что составило 33%
Да, хотел бы узнать об этом больше – 14 , что составило 47%
Нет – 6 , что составило 20%
Как вы думаете, пылесосы могут быть роботами?
Да – 16 , что составило 53%
Да, хотел бы узнать об этом больше – 11, что составило 37%
Нет – 3, что составило 10%
Хотели бы вы иметь вместо живой собаки - собаку-робота?
Да – 8, что составило 27%
Да, хотел бы узнать об этом больше – 3, что составило 10%
Нет – 19, что составило 63%
Способен ли робот полностью заменить человека?
Да – 3, что составило 10%
Да, хотел бы узнать об этом больше – 3, что составило 10%
Нет – 24, что составило 80%
Хотели бы вы, чтобы в нашей школе был урок по робототехнике?
Да – 11, что составило 37%
Да, хотел бы узнать об этом больше – 9, что составило 30%
Нет – 10, что составило 33%
Приложение 2
Эволюция робота. Из конструктора LEGO Mindstorms NXT
Из конструктора LEGO EV3