Технический проект «Механизированная уборка территории»

Муниципальное казенное дошкольное образовательное учреждение

«Детский сад комбинированного вида № 3»

города Аши Челябинской области

Технический проект

«Механизированная уборка территории»

Проект подготовили:

команда «Мыслители»

воспитанники МКДОУ№3 г. Аша:

Юдин Илья,

Хакимжанова Шахзода

руководитель: Шишкина Ж.С.

Аша 2019

Содержание

Для человека, способного мыслить,

Жизнь всегда наполнена смыслом.

От судьбы подарков не ждать,

Верить в себя и созидать!

1. Актуальность проекта.

МКДОУ № 3 города Аши находится на пересечении улиц Кирова и Еремеева с активным дорожным движением. Мы очень рады, что педагоги и родители посадили на прогулочных участках нашего детского сада много деревьев. Полувековые березы, клёны и тополя дают возможность дышать свежим воздухом, заслоняют от солнца и пыли. Но каждый год мы сталкиваемся с проблемой уборки опавших листьев, их такое количество, что убирать приходится ежедневно в течение двух месяцев. Это время хочется потратить на подвижные игры, проведение наблюдений и опытов. Современные люди стремятся к комфортной жизни в условиях «умной среды». В современном обществе идет активное внедрение роботов в нашу жизнь. Они заменяют очень многие процессы: робот - игрушка, робот - сиделка, робот - нянечка, робот - домработница, робот ˗ пылесос и т.д. Робототехника входит в тройку наиболее перспективных направлений техники и технологии. Сферы применения роботов различны: медицина, строительство, геодезия, метеорология, космос и т.д.

Специалисты, обладающие знаниями в этой области, сильно востребованы и вопрос внедрения робототехники в образовательный процесс очень актуален. Если ребенок интересуется этим с самого младшего возраста, он может открыть для себя новый удивительный мир, и в будущем, возможно, свяжет свою профессиональную деятельность с робототехникой. Уже разработан роботFIGLA для уборки улиц. Он способен самостоятельно работать на улицах города в течение двух часов, благодаря установленным камере, гироскопу, звуковым и инфракрасным датчикам, отвечающим за навигацию. Этот робот работает только на тротуаре и не способен работать на газонах Мы решили создать механизированную машину для уборки территории от опавшей листвы, используя эффект пылесоса. При этом учли момент переработки листвы в полезный необходимый продукт для удобрения в сельском хозяйстве.

1. История вопроса и существующие способы решения, выбор оптимального варианта исполнения.

Особенности региона

Цель проекта:

Создание механизированной машины для уборки территории. Формирование культуры конструкторско-исследовательской деятельности и освоение приемов конструирования, программирования и управления робототехническими устройствами (базовый набор конструктора LEGOMINDSTORMSEducationNXT).

Задачи проекта:

Образовательные:

• Создание условий для развития конструктивных творческих способностей и овладение моделирующими видами деятельности с конструкторомLEGONXT

• Овладение техникой чтения элементарных схем, конструирование различных моделей и их частичное программирование в средеLEGOMINDSTORMSNXT 2.0

• Расширение представлений о труде людей.

• Ознакомление со спецтехникой и способами утилизации.

Развивающие:

• Содействие развитию креативных способностей и логического мышления воспитанников.

• Развитие образного и пространственного мышления, фантазии.

• Стимулирование интереса к экспериментированию и конструированию как содержательной поисково – познавательной деятельности.

Воспитательные:

• Воспитание любви к природе и бережное отношение к окружающему миру.

• Воспитание аккуратности, целеустремленности, самостоятельности.

• Способствование овладению коммуникативной компетенцией на основе организации совместной продуктивной деятельности, привитие навыка работы в группе, в парах.

Предмет исследования:

конструктор со средой программирования LEGOMINDSTORMSNXT.

Гипотеза:

Робот «Дворник» предназначен для проведения очистки города. Его целью является облегчение человеческого труда, при очистке города от загрязнений.

Ожидаемые результаты

• умение программировать в среде LEGOMINDSTORMSNXT 2.0,

• умение конструировать различные модели роботов.

В реализации проекта используются разнообразные методы и приемы работы с дошкольниками:

Особенность данного проекта заключается в инновационной системе познавательного развития дошкольников: в практико-ориентированном подходе к формированию целостной картины мира на основе робототехники. Проект помогает обеспечить соответствующие условия для технического развития детей старшего дошкольного возраста, предоставляет дополнительные возможности для создания ситуации успеха всем детям.

2.2. Планируемые результаты:

1. Дети активно взаимодействуют со сверстниками и взрослыми, участвуют в совместном конструировании, техническом творчестве имеют навыки работы с различными источниками информации;

2. Дошкольники овладели разными формами и видами творческотехнической игры, основными компонентами конструктора; видами подвижных и неподвижных соединений в конструкторе, основными понятиями, применяемые в робототехнике, научились различать условную и реальную ситуации, подчиняться разным правилам и социальным нормам.

3. Сформированы умения работать по предложенным инструкциям; творчески подходить к решению задачи; довести решение задачи до готовности модели.

4. Сформированы умения работать над проектом в команде, эффективно распределять обязанности.

5. Сформирован устойчивый интерес к робототехнике.

6. Дошкольники владеют экологической культурой.

7. Сформированы умения и навыки, необходимые для осуществления различных видов исследовательской и проектной деятельности.

3. Теоретические основы роботов с дистанционным управлением

Первые программируемые механизмы с манипуляторами появились в 1930х годах в США. Толчком к их созданию послужили работы Генри Форда по созданию автоматизированной производственной линии или конвейера (1913). Первый же действительно существовавший в железе индустриальный робот принадлежит Л.Г. Полларду. 29 октября 1934 года, Уиллард Л.Г. Поллард подал в бюро патентов заявку об изобретении нового полностью автоматического устройства для окраски поверхностей. В 1937 году лицензия на производство этого манипулятора каким-то образом досталась компании DeVilbiss. Именно DeVilbiss в 1941 году при помощи Гарольда Роузланда построила первые прототипы этого устройства. Однако окончательная Роузландовская версия, запатентованная и выпущенная на рынок в 1944 году, была совсем другим механизмом, заимствовав у Полларда младшего только идею системы управления.

Рисунок 1.7 – «Автоматизированная производственная линия»

В 1968 году в Станфордском Исследовательском Институте создают «Shakey» - первого мобильного робота с искусственным зрением и зачатками интеллекта. Устройство на колесиках решает задачу объезда возможных препятствий - различных кубиков. Исключительно на ровной поверхности, т.к. робот очень неустойчив. Самое примечательное, что «мозг» робота занимает целую комнату по соседству, общаясь с «телом» по радиосвязи.

Исследования устойчивости приводят к работам над динамическим равновесием роботов, в результате чего получаются роботы-лошади и даже несколько роботов на одной ноге, - чтобы не упасть, им приходится постоянно бегать и подпрыгивать. Начинается эра исследования устойчивости и проходимости. В это время появляется множество роботов для исследования других планет и, конечно, ведения боевых действий в пустыне.

Первый в мире серийно выпускаемый бытовой робот-пылесос Trilobite представлен на рынок шведской компанией Electrolux в январе 2002 года Робот ориентируется с помощью ультразвукового сонара и имеет высоту 13 см при диаметре 35 см. Максимальная скорость уборки - 40 квадратных сантиметров в секунду. Когда аккумуляторы робота "садятся", Trilobite сам находит зарядное устройство и едет заряжаться. Один из клиентов, принёсших в ремонт свой Trilobite, которого он уже назвал Матильдой, настаивая на починке, объясняет, что замена пылесоса невозможна.

Рисунок 1.8 – «робот-пылесос Trilobite»

Toyota объявила о проекте «Роботы - помощники». Цель компании - создание роботов, обладающих человеческими характеристиками. Toyota разрабатывает три различных типа роботов-помощников. Ходящий робот Toyota Partner Robot предназначен для заботы о престарелых и персональной помощи; его рост 120 см, вес 35 кг. Эта модель ходит, как человек, на двух ногах, что дает ему возможность использовать руки для выполнения широкого ряда задач. Ездящий робот предназначен для использования на производстве; его рост 100 см, вес 35 кг. Эта модель двигает очень быстро, не занимая при этом слишком много пространства.

• 1. Применение роботов с дистанционным управлением

Сегодня на промышленных предприятиях крайне востребованы автоматизированные системы, актуальны инновационные решения, которые помогают наладить эффективную производственную работу и в то же время минимизировать отрицательное воздействие на работников.

Все это способствовало внедрению на предприятия промышленных роботов, отличающихся своей высокой производительностью, не требующих время на отдых, исключающих из своей работы ошибки.

Рассматривая статистику применения роботов по отраслям, наибольшей популярностью пользуется автомобилестроение, в котором лидирующую позицию по роботизации отрасли занимает Япония, следом за ней идут Италия, Германия и США.

Исходя из наблюдений увеличения продаж в сфере робототехники, можно утверждать о расширении сферы ее употребления. Развитие производства мотивирует производителей совершенствовать технические особенности выпускаемой продукции, переходить на новые, более легкие и в тоже время долгосрочные материалы, применять передовые технологии в разработках. Именно такими особенностями обладают роботы - относительная простота в эксплуатировании, возможность выполнять монотонные операции, разноплановую работу. Они отличаются высокой стабильностью, не нуждаются в обучении. Одной из главных их особенностей является то, что при необходимости роботизированную технику можно настроить для выполнения другой работы, изменив ее настройки.

Однако специфика различных применений промышленных роботов заставляет изготовителей разрабатывать специализированных роботов под конкретные задачи. Например, для таких операций, как укладка материалов на поддоны и транспортеры, используются специальные роботы-укладчики. К достоинствам такого робота можно отнести простоту кинематики, за счет чего возможна одна система управления для сразу нескольких роботов, относительно компактные размеры, высокую скорость и энергоэкономичность. С другой стороны, имея 4 управляемые оси, такие роботы могут переориентировать переносимый груз всего в 4 горизонтальных плоскостях. Данную модель на сегодняшний момент можно увидеть в продаже у таких компаний, как: KUKA, Columbia Machine, Möllers North America, Ouellette Machinery Systems, American-Newlong, Frain Industries и др.

Еще одна широкая область применения роботов - электродуговая сварка. Согласно исследованиям об использовании промышленных роботов в производстве, в сварочных работах задействовано почти 20% всех промышленных роботов, половина из которых применяются в США.

За счет применения аргонно-дуговой или точечной сварки с использованием промышленного робота-сварщика работа становится эффективнее, качественнее и быстрее.

На сегодняшний день популярна роботизация процесса лазерной сварки. Ее преимуществом является то, что при небольшом воздействии на изделие возможна фокусировка лазера на точке с варьированием от 0,2 мм, что обеспечивает качественную сварку.

Дистанционность сварки и увеличение диапазонов использования сварочного процесса достигаются за счет длины фокусировки, которая составляет до 2 метров. Метод автоматизации сварочного процесса применяется в таких отраслях, как авиастроение, автомобилестроение, приборостроение, медицине и т.д.

Роботы-сварщики позволяют экономить производственное время в несколько раз. Это достигается за счет модернизации сварочной оснастки, что обеспечивает быстрый цикл сборки конструкции.

Также большое значение имеет многофункциональность таких роботов. Например, можно сделать сварку посредством смены горелки или режимов сварки без переустановки детали.  

Рисунок 1.11 – «Робот-манипулятор OWI-535 и робот-сварщик TB-1400»

Существуют также роботы для окраски и напыления. Их конструкция предполагает наличие полого компактного герметичного полого запястья, форма которого позволяет надеть на него чехол для защиты робота от внешних загрязнителей. У этого запястья сквозной канал для того прямого доступа к распылительной форсунке.

Своей особенной конструкцией выделяются двурукие сборочные роботы. Они относительно нетяжелые и компактные, как правило оснащены двумя основными манипуляторами-«руками», способными двигаться в семи плоскостях, а также дополнительными манипуляторами, которые могут собирать мелкие детали. Такие роботы предназначены для того, чтобы работать в непосредственной близостью с людьми, поэтому безопасности отведено повышенное внимание.

Важный вопрос в процессе использования роботов в производстве является их программирование. Зачастую программировать робота посредством ручного обучения точек программной траектории является слишком дорогостоящим и технически сложным процессом, поэтому сегодня многие компании отдают предпочтение системам автономного программирования.

Перспективы использования приложений виртуальной реальности для промышленных роботов не так велики, как например, для компьютерных игр, но все же, в некоторых случаях, например, при работе на труднодоступных или опасных для человека местах, очень актуальны. Разработчики технологии IVRE (Immersive Virtual Robotics Environment), позволяющей в виртуальном пространстве не только управлять роботом, но и пользоваться виртуальным меню и другими объектами в ходе работы, считают, что преимущество их изобретения в том, что теперь движения робота программируются гораздо быстрее, чем посредством традиционного программирования.

Робототехника является одной из важных отраслей развития промышленности. На сегодняшний момент главные покупателями промышленных роботов являются крупные предприятия. Несмотря на это, малые и средние компании также являются востребованным покупателем промышленной робототехники, так как играют существенную роль на рынке. В Европе главными проблемами, препятствующими развитию робототехники, являются:

• низкая осведомленность потенциальных потребителей о способах и преимуществах применения робототехники;

• опасения пользователей по поводу сложности системы;

• высокая стоимость покупки робота и внедрения его в производство;

• несоответствие функций системы постоянно изменяющимся потребностям на производственном рынке.

Для того чтобы быть конкурентоспособными, робототехнические системы должны обладать следующими свойствами:

• относительная простота в управлении;

• удобство в использовании;

• простота настройки;

• адаптируемость к изменениям;

• безопасность в использовании;

• эргономичность внешнего вида;

• энергоэффективность, обеспечение автономного энергоснабжения;

• многофункциональность.

Наиболее важными направлениями развития робототехники являются: разработка интеллектуальных систем управления роботами и внедрение средств виртуальной реальности в управление роботами.

Специалисты в области робототехники стремятся к повышению автономности роботов, возможности их функционирования в неструктурированной среде, к развитию методов безопасного взаимодействия робота с человеком, упрощению систем программирования. Но вернемся к «умному кирпичу», сердцу системы. Это действительно довольно увесистый и объемный «кирпичик», оснащенный монохромным ЖК-экраном 178х128 (на него выводится не только меню, но и всевозможные кастомные картинки в процессе работы) с изменяемым цветом подсветки. При помощи проводов со стандартным разъемом RJ-12 к нему подключаются сенсоры и эффекторы (до четырех устройств каждого типа), есть слот для microSDHC и USB-порт.

Последний можно использовать как для загрузки собственно программ, так и для обновления прошивки. Однако не обделен микроконтроллер и беспроводными интерфейсами, при желании загружать программы можно через Wi-Fi (нужен внешний модуль) или Bluetooth (встроен). Также, если мы собираем робота с дистанционным управлением, «рулить» им можно с использованием беспроводной связи со смартфона или планшета.

Внутри «умного кирпича» живет 300-мегагерцовый ARM-процессор, 16 мегабайт постоянной памяти (и вот зачем пригодится карточка) и 64 мегабайта оперативной. Какими бы скромными ни казались эти цифры, для исполнения даже самых разветвленных алгоритмов, которые вы или тем более ребенок в процессе обучения может написать, мощности более чем достаточно. А если сравнить с 48-мегагерцовым процессором предыдущего поколения NXT, которому недавно стукнуло десять лет - то прогресс и вовсе заметный. Впрочем, нельзя сказать, чтобы и NXT сколько-нибудь заметно тормозил в процессе решения типовых задач.

Плюс появился четвертый порт для моторов, само по себе это значительное расширение функционала, которое оправдывает апгрейд.

USB-порт теперь поддерживает режим хоста, это позволяет не только подключать Wi-Fi-адаптер, но и соединять несколько блоков EV3 в одного сложного робота. Правда, и уровень задач при этом становится совершенно «не детским».

Наконец, MINDSTORMS Education EV3 обзавелся поддержкой аккумуляторного питания. Вместо шести АА-батареек можно установить идущий в комплекте литиево-ионный аккумулятор на два с хвостиком ампер-часа. Конечно, никто не запрещает пользоваться пальчиковыми аккумуляторами типа eneloop, но необходимость их вынимать для зарядки делает юзабилити ниже среднего. Да и по цене пара комплектов eneloop c зарядником вполне сравнима с фирменным аккумулятором.

Появился большой и громкий динамик, который сейчас может не просто пищать ретро-мелодии из 8-битной эры, но и проигрывать более приятные звуки.

Рисунок 2.2 – «Аккумуляторное питание EV3»

Теперь посмотрим на эффекторы из базового набора. Два из них - мощные моторы, аналогичные уже использовавшимся в NXT, продолговатые устройства, развивающие благодаря внутренней понижающей передаче серьезный крутящий момент.

Рисунок 2.3 – «Мотор EV3»

На случай блокировки мотора предусмотрен механический фрикцион, который начинает проскальзывать, если трение больше расчетного, так что мотор довольно сложно спалить.

Имеется датчик угла поворота с разрешением в один градус (мотор сообщает контроллеру, на какой угол сейчас повернута его ось) и возможность точно синхронизировать вращение всех подключенных моторов.

Рисунок 2.4 – «Датчик угла поворота»

Что касается сенсоров, то на самом деле вовсе не обязательно ограничиваться теми, что предлагает LEGO Education (хотя и их выше крыши для любого образовательного проекта), ряд сторонних компаний выпускает совместимые и порой довольно экзотические сенсоры. Исходный код прошивки и аппаратные спецификации полностьюоткрыты.

В литературных источниках много информации об аппаратной базе, но на самом деле, далеко не только она определяет эффективность занятий по робототехнике. Именно наличие действительно интуитивно понятного ПО на множестве платформ (Мак, ПК, мобильные устройства) и готовых учебных планов делает LEGO MINDSTORMS Education EV3 платформой выбора при обучении, и особенно на рубеже начальной и средней школы, для детей лет десяти.

Рисунок 2.5 – «Приветственный экран приложения на iPad»

Визуализация алгоритмов в родном ПО LEGO MINDSTORMS Education EV3 находится просто на высшем уровне – достаточно буквально за несколько минут усвоить основные виды взаимодействия логических блоков (условия перехода, цикл и т.д.) и в дальнейшем постепенно наращивать сложность программ. Разумеется, есть и готовые обучающие проекты для десятков разнообразных моделей роботов, а при желании в интернет-сообществах можно найти тысячи интересных программ.

5. Создание робота «Дворник»

Продумав все конструкционные элементы, я приступил к конструированию модели.

Для создания модели робота – уборщика я использовал:

• LEGO Mindstorms EV3;

• программное обеспечение LEGO MindstormsEV3.

Сборку робота я начал с ходовой части, которую решил собрать на колёсном ходу, так как такой робот имеет более высокую скорость и маневренность.

Сборка производилась в такой последовательности:

Далее мы создали программу движения робота в среде программирования LEGO MINDSTORMS EV3. Программа обеспечивает движение робота с одновременным вращением рабочего органа (щётки) для механической очистки поверхности от мусора. Стандартные датчики обеспечивают обнаружение препятствий: инфракрасный датчик обнаруживает препятствия на заданном расстоянии и изменяет направление движения. Если по каким-то причинам ИК датчик не обнаружил препятствие, то при непосредственном контакте предохранительного щита с препятствием произойдёт остановка робота, затем задний ход с изменением направления, далее снова рабочий ход.

• 1. Заключение

В ходе реализации проекта у нас 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 на основе конструктора LEGO;

• создавать программы на компьютере на основе компьютерной программы MINDSTORMSNXT 2.0;

• передавать (загружать) программы в NXT;

• корректировать программы при необходимости;

• демонстрировать технические возможности роботов;

• излагать логически правильно действие своей модели (проекта).

Перспективы развития проекта

• создание новых моделей роботов,

• участие в различных состязаниях робот,

• довести программу до конца.

Я представил Вашему вниманию созданную мною действующую модель робота - уборщика, который служит для уборки городских улиц и дворов.

При создании модели робота – помощника с помощью Лего-конструктора, я применял различные виды передач: зубчатая коническая передача и прямой независимый привод колёс. Успешно решал задачи программирования. В дальнейшем я хочу усовершенствовать эту конструкцию и программу для неё. Робот будет не только подметать, но и подбирать мусор и укладывать его в контейнер.

• 1. Список использованных источников

1. Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей Санкт-Петербург 2010г.

2. Кривич М. Машины учатся ходить: Научно-популярная литература.- М.: Детская литература, 1988.- 159 с.

2. Жимарши Ф. Сборка и программирование мобильных роботов в домашних условиях – М., НТ Пресс, 2008 г.

3. Вильямс Д. Программируемые роботы – М., НТ Пресс, 2006 г.

4. Финн В. К. Искусственный интеллект. Методология, применение, философия / В. К. Финн – М.: Красанд, 2011.

5. Попов Э. В. Общение с ЭВМ на естественном языке / Э. В. Попов – М.: УРСС, 2004.

6. Рассел С. Искусственный интеллект: современный подход / С. Рассел, П. Норвиг – М.: Вильямс, 2007.

7. Смолин Д. В. Искусственный интеллект. Конспект лекций / Д. В. смолин – М.: Физматлит, 2004.

8. Чулюков В. А. Системы искусственного интеллекта. Практический курс. / В. А. Чулюков – М: БИНОМ, ФИЗМАТЛИТ, 2008.

9. Новицкая Ю. В. Основы логического и функционального программирования, уч. пособие / Ю. В. Новицкая – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.

10. Гаскаров Д. В. Интеллектуальные информационные системы, учеб. для вузов / Д. В. Гаскаров – М.: Высш. шк., 2003.

11. Гаврилов А. В. Системы искусственного интеллекта, уч. пособие для заочников / А. В. Гаврилов – Новосибирск, НГТУ, 2003.

12. Ярушкина Н. Г. Основы теории нечетких и гибридных систем / Н. Г. Ярушкина – М.: Финансы и статистика, 2004.

13. www.myrobot.ru

14. www.roboforum.ru

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/461632-tehnicheskij-proekt-mehanizirovannaja-uborka-