«Робототехническое устройство «МЕГ»

Муниципальный научный форум молодых исследователей

«Шаг в будущее - 2016»

Исследовательский проект на тему:

«Робототехническое устройство «МЕГ»

как модель промышленного робота»

1.В. Прикладная механика и компьютерные технологии

 в автоматизации и робототехнике

Россия, р.п. Голышманово

Автор:

Молодчиков Егор Евгеньевич,

ученик 5 класса

Муниципального автономного

общеобразовательного

учреждения «Голышмановская

средняя общеобразовательная школа № 4».

Руководитель:

Кузьминых Ирина Геннадьевна,

учитель физики

Муниципального автономного

общеобразовательного

учреждения «Голышмановская

средняя общеобразовательная школа № 4».

Российская Федерация, Тюменская область, р.п. Голышманово

Содержание

Краткая аннотация---------------------------------------------------------------------------2

Аннотация-------------------------------------------------------------------------------------3

План исследований--------------------------------------------------------------------------5

Научная статья--------------------------------------------------------------------------------8

Литература------------------------------------------------------------------------------------17

Приложение-----------------------------------------------------------------------------------18

«Робототехническое устройство «МЕГ» как модель промышленного робота»

Молодчиков Егор Евгеньевич

Россия, Тюменская область, р.п. Голышманово

МАОУ «Голышмановская СОШ № 4»,5 класс

Краткая аннотация

   Конструирование модели робототехнического устройства, способного выполнять определенные функции, свойственные человеку. При программировании роботов  ЛЕГО используют программу RoboLab, в нашем случае мы программируем робота на языке NXT-G, используя для  модели датчики и сервомоторы.  

   В результате работы над проектом мы сконструировали робота - сортировщика, исследовали выполнение им определенных функций, в зависимости от работы сервомоторов   и выяснили, что модель может заменить человека при выполнении работы, в частности для сортировки мусора.

«Робототехническое устройство «МЕГ» как модель промышленного робота»

Молодчиков Егор Евгеньевич

Россия, Тюменская область, р.п. Голышманово

МАОУ «Голышмановская СОШ № 4»,5 класс

Аннотация

     Робот – это технический комплекс, предназначенный для выполнения различных движений и некоторых интеллектуальных функций человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения вычислительно-логических задач.

    Цель: Сконструировать робота, который будет автоматически сортировать и производить эвакуацию   бытовых и промышленных отходов,  опасных отходов и предметов на производстве и после техногенных катастроф.

   Задачи:

1.Изучить научно-популярную литературу, для анализа способов утилизации отходов с помощью роботов.  

2. Провести проектирование и конструирование автономного мобильного робота с совместным применением датчиков освещенности, звука и ультразвука, который передвигается по плоскости, сортирует   предметы, поднимает и опускает их.

3. Провести программирование созданной модели на компьютере, исследовать работу датчика и сервомоторов и установить программу на микроконтроллер робота.

4. Протестировать робототехническое устройство.

   Методы исследования: исследования проводятся при изменении параметров датчика в программе компьютера и анализом поведения робота, корректировка конструкции модели. Методы, используемые мною: теоретический и практический. Теоретический метод: изучение научно популярной литературы и материал сайтов Интернет.    

   Практический метод: проектирование, конструирование, и программирование робототехнического устройства. Средства исследования: конструктор - Mindstorm NXT, с программным обеспечением - NXT-G.

Работа над проектом ограничена наличием крепежных деталей, датчиков и возможностью микроконтроллера конструктора.

   Мы протестировали работу модели на созданной программе с помощью языка NXT-G, и выяснили, что робототехническое устройство работает согласно заложенным командам, то есть при определенных условиях, робот может сортировать, захватывать, и переносить объект, то есть выполнять работу человека.

«Робототехническое устройство «МЕГ» как модель промышленного робота»

Молодчиков Егор Евгеньевич

Россия, Тюменская область, р.п. Голышманово

МАОУ «Голышмановская СОШ № 4»,5 класс

План исследований 

   Человек производит материалы, которые в природе могут разлагаться до 150 лет, вопрос их вторичного использования после переработки становится все более и более актуальным.

    Статистика говорит: один человек в течение суток производит около 3-5 литров мусора, что в месяц составляет до 120 литров, а за год 15000 литров. Объемы неубранных отходов в России - достигли 90 миллиардов тонн, то есть, в среднем, по 640 тонн на каждого жителя страны. Причем, только четверть ежегодно создаваемого мусора идёт на переработку. Очевидно, что создание современных систем утилизации отходов становится для России неотложной задачей. В Голышманово проблема утилизации мусора стала актуальной с 2014 года, в поселке действует цех  по производству эковаты, с 2015 года по переработки пластика. Очевидно, что переработка необходима, но главная задача и она, же главная сложность переработки отходов, является сортировка мусора.

     Говорят, что труд делает человека человеком. Но работа по переработке мусора не является престижной, она трудная, но важная, и применение роботов в данной технологии является актуальным. Именно поэтому мы решили создать машину, сортирующую  бытовые отходы.

     Робот — автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или полностью заменяет человека при выполнении работ.

Наука и техника не стоит на месте, постоянно создаются новые, все более совершенные роботы для различных областей жизни. Перед нами стояла проблема, как создать робота, в условиях далеких от производства, который сортировал объекты, узнать создан ли уже робот, способный заменить человека в сортировке?

   Объект исследования: созданное робототехническое устройство с совместным применением датчиков освещенности, звука и ультразвука.

   Предмет исследование: работа установленных датчиков и проводимые изменения их параметров.

   Гипотеза: можно создать робототехническое устройство на базе Робот Mindstorm NXT, сортирующее объекты.

   Предполагаемый результат:

   Робот должен двигаться при помощи двигателей на колесной паре являющейся ведущей. Третье колесо ведомым и пассивным.

   На роботе должно быть размещено три и более датчика выполняющее различные функции, параметры которых устанавливаются при помощи программного обеспечения.

   Робот должен выполнять все залаженные функции автономно, без связи с компьютером по проводам и передвигаться.

   Робот  двигается по линии, определяет расстояние, цвет, размер объекта, захватывает объект и переносит его в определенное место.

     В конструкции робота должна быть предусмотрена возможность размещения третьего двигателя для выполнения действий не связанных с перемещением робота по траектории.

План исследования

Библиографии

1. chooltech.ru/issledovatelskie-proekty/482-robototekhnika-lego.html

              Проект «Робот – погрузчик»

2. chooltech.ru/issledovatelskie-proekty/482-robototekhnika-lego.html

              Проект «Робот – вездеход»

3. project.1september.ru/works      Проект «Робот – сортировщик»
4. http://www.untehdon.ru/node/478 Звуковой сортировщик

«Робототехническое устройство «МЕГ» как модель промышленного робота»

Молодчиков Егор Евгеньевич

Россия, Тюменская область, р.п. Голышманово

МАОУ «Голышмановская СОШ № 4»,5 класс

Научная статья

   Люди издавна стремились создать механические устройства подобные живым существам. Это было вызвано тем, что человек хотел обзавестись помощником, который мог бы выполнять любую независимо от сложности работу.

   В далеком 1920 году знаменитый чешский писатель Карл Чапек создал научно-фантастическую пьесу «Россумские универсальные роботы»».  В пьесе К.Чапека предприимчивый хозяин завода механизмов налаживает выпуск супер современных выносливых и разумных андроидов, но потом они поднимают бунт и выходят из повиновения. Американский писатель А.Азимов сформулировал 3 закона робота, которые регламентируют взаимоотношения людей и робототехнических устройств. С тех пор сначала в фантастических произведениях, а потом в реальной жизни стали действовать роботы.

   Первых механических людей изобрел Пьер Дро в 1770 году. ( фото 1, приложение)  Настоящие роботы появились только с появлением ЭВМ. Различают три поколения роботов.  Роботы первого поколения используются в машиностроении, металлургии, атомной промышленности, для обслуживания станков, печей, прессов, литейных машин. Роботов второго поколения применяют  в основном для сборки деталей, сварки, контроля качества и выполнения других операций. Большое применение роботы второго поколения 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.  Эти роботы снабжены, более 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 принципиально важная особенность этих роботов – способность самообучаться в процессе решения поставленных человеком задач, что неограниченно расширяет их возможности. ( фото 2, приложение)

   Проблема переработки отходов сейчас является одной из самых важных, так как человечество производит такие вещи, которые при попадании в природу будут разлагаться 20, 50, 150 лет. Поэтому многие вещи идут на переработку для вторичного использования. Каждый  человек в день производит около 2-5 литров мусора, таким образом, в месяц он выбрасывает уже 80-120 литров, а в год 10000-15000, что очень много для нашей планеты.

    Во всех развитых странах мусор является источником дохода. Его сортируют, отправляют на переработку и хорошо на этом зарабатывают. ( фото 3, приложение) Но в России сортировка бытовых отходов никак не может  прижиться, значительно проще увезти все отходы на свалку.

   Главной сложностью переработки отходов, точнее, подготовки к ней, является сортировка мусора на категории. Потребность в переработке мусора и отходов, возрастает с каждым годом.

   На сегодняшний день есть три основные системы утилизации мусора.

   Первая заключается в том, что выброшенный людьми мусор доставляют на завод и там сжигают его, а иногда просто закапывают.

   Вторая заключается в том, что после того, когда люди выкинули мусор в бак, его привозят на завод, там сортируют и перерабатывают. Эффективность сортировки при этом падает в несколько раз.

   Третий заключается в том, что перед тем как выкинуть мусор, нам необходимо его отсортировать, при этом появляется возможность перевозить разные виды мусора на специализированные заводы. ( фото 4,  приложение)

   Очевидно, что переработка необходима, но главная задача и она же главная сложность переработки отходов, является сортировка мусора. Речь идет о предварительной сортировки  на категории. Можно сказать, что после сбора отходов,  предварительная сортировка это первичный этап переработки.

   В настоящее время, классическая методология предварительной сортировки мусора осуществляется в несколько этапов:

1)      Сортировка металл/не металл;

2)      Сортировка тяжелое/ не тяжелое;

3)      Ручной этап.

    На третьем «ручном» этапе, у конвейера находятся люди, которые при помощи определенного инструктажа и полученных навыков, сортируют мусор. После чего, разложенные по разным контейнерам отходы направляются на  заводы, для технологической переработки. Финская Компания ZenRobotics решила избавить людей от низко-интеллектуальной и монотонной работы, создав специальную роботизированную технологию, которая способна объединить все три этапа в один.

    Для решения поставленной задачи была использована инновационная технология искусственного интеллекта, которая базируется на адаптивном алгоритме поиска, который основан на принципе функционирования человеческого мозжечка.

    Данная технология и впечатляющий набор всевозможных датчиков, позволяют промышленному роботу определять материалы, из которых состоит предмет и впоследствии, направлять его в нужный складской контейнер или на правильную полосу конвейера для переработки.

    Такие возможности робота значительно увеличивают общую эффективность предварительной сортировки в сравнении с ручным способом.

Специалисты компании Zen Robotics считают, в самом ближайшем будущем, можно будет применить уменьшенные копии данных машин повсеместно, чуть ли не в каждом доме, что значительно облегчит процесс переработки и снизит общие издержки.

    Испанская компания Sadako, которая занимается сортировкой и переработкой отходов, предложила автоматизировать процесс отделения мусора при помощи необычного робота. Робот Wall-B способен распознавать отходы на основе искусственного интеллекта и компьютерного зрения.  Материалы, которые может сортировать робот Wall-B: ПЭТ-бутылки, полиэтилен высокой плотности (HDPE), кирпич, алюминиевые банки.

Такой робот может быть отличным дополнением для любой сортировочной линии главной целью, которой, является повышение коэффициента извлечения отходов. Вы можете разместить столько роботов, сколько это необходимо. ( фото 5,  приложение)

    Каждый такой робот способен сохранить 80 тонн СО2 в год или 635 баррелей нефти. 

   По прогнозам А. Азимова в 2050 году роботы будут выполнять работу за  человека. Они сильно изменят жизнь человечества, проведут воду в те районы, которые страдают от засухи. В наших домах будут находиться роботы-помощники, которые активно будут сосуществовать с людьми.

   Роботов для сортировки отходов используют с 2013 года.

В числе главных преимуществ труда таких роботов перед человеческим трудом создатели называют более высокую скорость работы (в два раза быстрее), возможность поднимать предметы весом до 20 кг, ну и, конечно же, отсутствие необходимости перерывов на сон, и приемы пищи.

    В России начинают использовать раздельный способ сборки отходов, но полигоны завалены как бытовым, так и строительным мусором.  В Голышманово проблему утилизации стали решать, на настоящий момент, действуют цеха по переработки пластиковых ПЭТ – бутылок и переработки макулатуры.  Из флекса (это мелкорубленые хлопья пластика)  делают синтепон, упаковочную ленту, черепицу, бытовую утварь, те же бутылки, современное дорожное покрытие, из макулатуры делают зковату, которая используется как утеплитель при строительстве дома. Производительная мощность цеха – 500 килограммов флекса в час. Данный проект показывает, что переработка  мусора  прибыльна и сохраняет экологию района. Естественно макулатуру и ПЭТ – бутылки принимают у населения, собирают на полигонах и их требуется сортировать. Очевидно, что переработка необходима, но главная задача и она, же главная сложность переработки отходов, является сортировка мусора. ( фото 6, 7,   приложение)

    Но работа по переработке мусора не является престижной, она трудная, но важная, и применение роботов в данной технологии является актуальным. Именно поэтому мы решили создать машину, сортирующую  бытовые отходы.

      Мы изучили научно – популярную литературу и  сети Интернета на использование роботов для сортировки отходов. Если брать страны Европы и Азии, то они используют роботов в области сортировки и переработки отходов. В России разработан проект робота сортирующего объекты по звуковому сигналу, который издает звук при попадании на поверхность и проект робота, сортирующий объекты по плотности относительно воды.

Наша идея заключалась в том, чтобы сконструировать робота, который сортирует объекты по цвету, и форме. Робот перемещается по полигону и собирает объекты, отвозит их в определенное место. Робот находится у линии конвейера и выбирает объект и отвозит его в определенное место.

    Я изучил работы  в сети Интернет, созданные с помощью ЛЕГО, многие из них предлагают конструировать робота с определенной функцией, и с помощью языка программирования  RoboLab.  Поэтому  проблемой стало для меня, как будет работать программа на языке программирования NXT-G.

Конструирование

   На сегодняшний день самым перспективным конструктором  для конструирования моделей является набор LEGO Mindstorms NXT.

   Микрокомпьютер NXT  имеет:

32-битный  микроконтроллер, который приравнивается к выпущенному несколько лет назад компьютеру  (ARM7 256 КБайт FLASH, 64 КБайт RAM 8-битовый микроконтроллер AVR 4 Кбайта FLASH, 512 байт RAM), а также беспроводной канал Bluetooth Class I I V 2.0,  скоростной порт USB; четыре порта входа,  шестипроводный кабель для цифровой платформы, три порта выхода,  шестипроводный кабель для цифровой платформы, графический жидкокристаллический дисплей, громкоговоритель с аудиоканалом с восьмибитовым квантованием и частотой семплирования 2-16 кГц.

    К микроконтроллеру по имеющимся четырём входа портам мы подсоединили несколько  различных датчиков (не сразу, а по четыре штуки) и три мотора в порты выхода. ( фото 8, 9,  приложение)

Программирование

   Никакому автономному роботу, конечно же, не обойтись без программы. Языками программирования роботов являются  LabVeiw, NXT-G и RoboLab.  Мы имели в наличии NXT-G . Для того, чтобы написать программу, используют среду визуального программирования RoboLab. В ней с помощью пиктограмм можно записать команды в нужном порядке и настроить их выполнение. Затем эта программа передается через инфракрасный передатчик в микрокомпьютер RCX, который и будет выполнять все команды, передавая их датчикам и моторам.

   RoboLab  точный и - в отличие от некоторых программ - психологически упрощённый, он создан на основе среды LabVeiw, которую неоднократно применяли в агентстве NASA для управления космическими роботами.  

   Программа в RoboLab  работает на стопроцентную мощность, а программа в  NXT-G, работает на семядесятипроцентную мощность, то есть может выполнять заложенные программы на 70 %.

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

   Характеристика прикладного  исследования: исследования показывают, что  при помощи робототехнического конструктора и компьютера с соответствующим программным продуктом возможно создание действующей модели будущего промышленного робототехнического устройства. (алгоритм, приложение)

   Исследовалась настройка датчика ультразвука в программе на компьютере.

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

   Исследовалась настройка захвата объекта и его переноса.

   Исследовалось возможность воздействия звука на робототехническое устройство.

( фото 10, 11,  приложение)

Результаты

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

    Модель определяет размер, цвет предмета, расстояние до него.

   Модель  находит определенный объект, захватывает и переносит его в определенное место.

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

   Робот реагирует на возникновение резкого звука, включает двигатель или выключает его.

   Но использование  языка программирования NXT-G, дает свои минусы - датчики освещенности, звука, ультразвука, работают, не согласовано, что являлось проблемой при установке программы. То есть следует включать датчики в разных программах, и корректировать их работу.

Выводы:

   При помощи имеющегося в наличие конструктора можно собрать и запрограммировать модель робототехнического устройства, которое в последствии, можно реализовать в промышленную установку для использования в реальных условиях, заменив труд человека. (фото 12,  приложение)

   Данная модель может использоваться при изучении характеристик движения, импульса на уроках физики,  технологии, можно использовать модель для игры в футбол или теннис.

Заключение

   Итак, моя гипотеза полностью подтвердилась: существует реальная возможность  создать робототехническое устройство на базе  Робот Mindstorm NXT ,  выполняющее действия, которые может выполнять человек, перемещаться по сложной траектории, сортировать, переносить объект. (фото 13, 14,  приложение)

   Я доказал это достигнув поставленной перед собой цели,  сконструировав и протестировав модель, которая позволяет выполнять определенные функции, проблему  использования языка программирования, я решил, датчики освещенности работают одновременно.

   Робот  работает по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или  заменить человеческий труд на производстве, в строительстве, при рутинной работе, при работе с сортировкой мусора, с тяжёлыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжёлых или небезопасных для человека условиях.

В перспективе я думаю сконструировать модель робота, которого можно будет использовать и в домашних условиях для сортировки объектов.

  Создатели роботов считают, что уже в ближайшем будущем спроектированные ими роботы будут активно использоваться на перерабатывающих заводах.

Летом 2015 года компания ZenRobotics Recycler, штаб-квартира которой располагается в Хельсинки, запустила в производство робота сортировщика строительного мусора.

   Японская корпорация  Yaskawa Electric разработала робототехническую систему для сортировки предметов. По сути, это человекоподобный робот, способный за час рассортировать около 1 тысячи объектов — с точно такой же скоростью работает хорошо обученный человек. Машина носит название Motoman-DIA10, она сожжет заменить робота – сортировщика. Правда, о её цене и перспективах повседневной эксплуатации пока ничего определённого не сообщается. (фото 15,  приложение)

   Использование же труда роботов в производственном цикле на перерабатывающих заводах позволит не только наносить меньший ущерб окружающей среде, но и зарабатывать на этом деньги, ведь отсортированные таким образом отходы можно пустить на вторсырье. Кроме того, таким образом можно сэкономить на затратах на свалку, электроэнергию, человеческие ресурсы.

Литература

1. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей – М.: Наука, 2011 г.(2 и 3-е издания) (учимся программировать);
2. Рейд С., Фара П. «История открытий», М., 1999 г.
3. Русецкий А.Ю. «В мире роботов». М., Просвещение., 1990 г.

Периодическая печать:

1. Журнал «Популярная Механика», март 2014 (№ 6)

Интернет-источники:

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Робот
2. http://robototechnika.ucoz.ru/pdf/spravka_po_po_lego.pdf
3. http://robot70.narod.ru/index/0-10
4. legoleaguecoaching.org