XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот-уборщик игрушек на базе LEGO SPIKE PRIME
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Нагрузка современных школьников чрезмерна-уроки кружки, секции, домашние дела, времени побыть просто ребенком остается все меньше и меньше. Когда удается поиграть, нередко, детская комната становится местом ссор из-за беспорядка, так как к моменту окончания игры сил на уборку уже не остается. Разбросанные игрушки теяются, пачкаются, собираю пыль и становятся рассадником бактерий, а так же портят внешний вид и системы хранения в комнатах.
Мы увидели проблему в том, что, несмотря на важность чистоты и соблюдения порядка в личном пространстве сил на это у современных детей почти не остается. В связи с чем, мы поставили перед собой цель-создание робота позволяющего сократить время затрачиваемое на уборку комнат за счет уборки игрушек без участия человека. Для достижения данной цели мы выбрали конструктор LEGO SPIKE PRIME так как занимаемся образовательной робототехникой использованием данного учебного набора и считаем, что он обладает достаточными ресурсами для выполнения необходимого в рамках разработки проекта функционала: поиск валяющихся игрушек, сборка и транспортировка на место.
Нами был обозначен ряд задач, позволяющих прийти к цели:
-Проанализировать существующие технические решения для уборки без участия человека;
-Создать модель робота-уборщика робота-уборщика игрушек на базе LEGO SPIKE PRIME;
-Продемонстрировать принцип работы на примере одного запуска робота-уборщика игрушек на базе LEGO SPIKE PRIME;
-Оценить эффективность и безопасность использования робота-уборщика.
В процессе работы мы ориентировались на следующие источники-«Лего удивительные идеи», а так же методическими пособиями Школы интеллектуального развития «Мистер Брейни».
Глава 1. Теоретическое обоснование создания робота-уборщика игрушек на базе LEGO SPIKE PRIME
1.1 Технические решения для автономной уборки
Самым известным на сегодняшний день средством автономной уборки является, бесспорно робот-пылесос. Данный домашний помощник на сегодняшний день является единственным автономным средством уборки, суть его работы заключается в том, что он собирает мелкий мусор и пыль в специальный резервуар, который находится внутри корпуса. На дне робота установлена лопастная щетка, которая чистит пол в углах комнаты и вдоль плинтусов. Одновременно для сбора мусора используются две щетки, которые вращаются в противоположных направлениях загоняя мусор в центр конструкции. Фильтр, установленный в роботе-пылесосе, задерживает мелкие частицы и пыль, а мусор попадает в мусоросборник, который также находится внутри корпуса. (Приложение, Рисунок 1) [5]
На корпусе робота-пылесоса расположены различные датчики. Контактные сенсоры отвечают за передвижение устройства, задают направление и строят карту пространства, инфракрасные датчики помогают гаджету ориентироваться в пространстве, а виртуальные сенсоры устанавливают границы для движения аппарата, например, чтобы робот-пылесос не выезжал из определенной комнаты. (Приложение, Рисунок 2)
Роботы-пылесосы имеют ряд преимуществ, которые делают его популярным гаджетом на протяжении многих лет. Во-первых это высокая эффективность устройства при уборке мусора и пыли с пола. Главное преимущество, которое интересует именно нас это автономность, с использованием робота-пылесоса человеку не нужно самостоятельно пылесосить или даже мыть пол, что помогает экономить личное время.
Некоторые модели даже оснащены дистанционным управлением. Включить робота или запустить его по сигналу таймера можно при помощи смарт-фона подключенного к пылесосу. [5]
Однако, не смотря на значительные и приятные преимущества робота-пылесоса в быту есть и яркие недостатки. Во-первых аппарат быстро загрязняется при работе на влажной поверхности. Из-за этого приходится чистить робот-пылесос после каждой уборки дома. Преимущественно роботы-пылесосы имеют круглую форму, из-за чего плохо справляются с очисткой углов комнаты.
Так же он предназначен только для мелкого мусора и пыли, собрать на место игрушки он не в состоянии, тем более крупные вещи станут для него настоящей помехой, что доказывает актуальность создание робота-уборщика способного справиться с разбросанными игрушками и вещами.
Глава 2. Модель робота-уборщика игрушек на базе LEGO SPIKE PRIME
2.1 Конструкция модели робота-уборщика на базе LEGO SPIKE PRIME
Модель робота-уборщика была разработана нашей омандой при помощи учебного набора LEGO SPIKE PRIME. (Приложение, Рисунок 3) Данный конструктор был выбран исходя из соображений возможности одновременного использования множества моторов, разнообразия датчиков и возможности легкого интуитивно понятного программирования. (Приложение, Рисунок 4) [4]
Для движения робота использованы 2 средних мотора, которые позволяют роботу быть компактным и мобильным. [3]На корпусе расположен большой мотор, который отвечает за поднятие игрушек при помощи рычага в кузов. Для обнаружения роботом игрушек используется ультразвуковой датчик.(Приложение, Рисунок 5) Смарт-хаб в роли коннектора управляет моделью по сигналу датчика. [1]
2.2 Управление роботом-уборщиком игрушек на базе LEGO SPIKE PRIME
Управление роботом уборщиком происходит при помощи программы SPIKE PRIME. При запуске программы одновременно робот получает две задачи-зигзагообразное движение по комнате и поиск препятствий в виде валяющихся игрушек. (Приложение, Рисунок 6) [4]
2.3 Демонстрация возможностей робота-уборщика на базе LEGO SPIKE PRIME на примере одного запуска
Для наглядной проверки работоспособности разработанной модели был проведён экспериментальный запуск робота в условиях, приближенных к реальной детской комнате. Зона уборки представляла собой ровную поверхность площадью 3×2 метра, на которой в хаотичном порядке были размещены пять типичных объектов: два небольших кубика LEGO, мягкая игрушка (диаметром до 10 см), пластмассовая игрушка в виде медведя а так же упаковка от сухариков.
После подачи питания и запуска программы робот начал зигзагообразное движение, а ультразвуковой датчик начал сканирование пространства в заданном секторе. Рычаг с большим мотором занял исходное нижнее положение. При срабатывании датчика на расстоянии менее 15 см робот останавливался, поворачивался фронтально к объекту и подавал сигнал большому мотору. Рычаг опускался, поддевал игрушку и поднимал её до уровня кузова.
С захваченным объектом робот продолжал движение по заданной ему территории. Всего цикл работы для полного обхода заданной роботу территории занял 7,5 минут. За это время робот захватил 4 из пяти предметов-не удалось поднять кубик лего. Столкновений с мебелью или стенами зафиксировано не было, что говорит о том, что робот успешно справляется с большинством типов разбросанных игрушек.
Обнаруженный недостаток — сложность захвата слишком лёгких или скользких предметов — может быть устранён в будущих версиях заменой рычага на ковш-захват или использованием второго мотора для дополнительного прижима.
Заключение
В ходе выполнения проектной работы была достигнута поставленная цель — создан робот на базе LEGO SPIKE PRIME, позволяющий сократить время, затрачиваемое на уборку детских игрушек за счёт автоматизации процесса без участия человека.
В рамках теоретической главы был проведён анализ существующих технических решений для автономной уборки. Установлено, что самый распространённый бытовой помощник — робот-пылесос — эффективен лишь для мелкого мусора и пыли, но не приспособлен для сбора и сортировки разбросанных игрушек, что подтвердило актуальность нашей разработки.
Практическая часть работы включала создание действующей модели робота-уборщика с использованием трёх моторов (два средних — для движения, один большой — для подъёма игрушек) и ультразвукового датчика. Управление реализовано через программу SPIKE PRIME, алгоритм обеспечивает зигзагообразное движение и реакцию на обнаружение препятствий. В ходе демонстрационного запуска робот успешно собрал и переместил на место 4 из 5 игрушек, показав работоспособность конструкции и эффективность ее использования.
Таким образом, разработанный робот может быть рекомендован как образовательный проект для кружков робототехники, а также как прототип для более серьёзной бытовой модели, решающей проблему нехватки времени у современных школьников на поддержание порядка в своей комнате.
Список литературы
1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.
4. Копосов Д.Г. Первый шаг в робототехнику: практикум для школьников на базе LEGO SPIKE Prime. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2024. – 156 с.
Интернет-источники:
5. https://hitechdoma.ru
Приложение
|
Рисунок 1 |
Рисунок 2 |
|
Рисунок 3 |
Рисунок 4 |
|
Рисунок 4 |
|
|
Рисунок 6 |
|