XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сеть автономных компактных платформ «Самокатовоз». Практические исследования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Катаева Е.П. 1Кудрявцев С.С. 1Косачёва К.К. 1Цыбина У.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

477 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Глава 1. Методы и инструменты для подъема грузов

Инструменты и оборудование

• Захваты и скобы. Применяются для фиксации грузов за определённые точки: балки, листы, трубы. Например, захват для подъёма листа надёжно держит металлические листы. 

• Лебедки. Усовершенствованная версия блока. С их помощью можно поднимать объекты весом до нескольких тонн, используя стальной трос или синтетическую верёвку. Ручные модели приводятся в действие рычагом, электрические — управляются с помощью пульта. 

• Полиспасты. Системы из нескольких блоков, обвитых цепью. Позволяют увеличить грузоподъёмность и уменьшить усилия, необходимые для подъёма. 

• Краны. Применяются для подъёма длинных грузов больших объёмов. Среди разновидностей — мостовые, козловые, стреловые, портальные, башенные, гусеничные, железнодорожные рельсовые и кран-балки. 

• Мини-краны. Отличаются наличием опорной стойки и поворотной стрелы. Телескопические модели позволяют менять угол наклона и выдвигать стрелу. 

Роботизированная платформа - На платформе находится подъёмник который мягко приподнимает переднее колесо самоката над землёй.(Рисунок 1.1, Приложения)

Методы для подъёма грузов

Ручной метод

Подходит для грузов весом до 500 кг. Используются такелажные приспособления: канаты, цепи, траверсы, стропы. Для перемещения по лестницам могут применяться такелажные ремни, которые надеваются на плечи и пропускаются под грузом. Вес на одного такелажника не должен превышать 50 кг.

Механизированные методы

Используются для подъёма тяжёлых и крупногабаритных грузов. К ним относятся различные виды техники и оборудования. [1]

Некоторые инструменты и механизмы: Блоки и полиспасты. Простейший подъёмный механизм — закреплённый блок со шкивом, через который пропущена верёвка.

Полиспасты — системы из нескольких блоков, соединённых гибким элементом (канатом, цепью или тросом). Они позволяют уменьшить усилия, необходимые для подъёма, и перемещать более тяжёлые предметы. [2]

Лебёдки. Усовершенствованная версия блочных систем. Могут быть ручными (приводятся в действие рычагом) или электрическими (управляются с помощью пульта). Позволяют поднимать объекты весом до нескольких тонн с использованием стальных тросов или синтетических верёвок.

Тали. Могут быть ручными (шестерёнчатыми, барабанными, червячными) или электрическими (тельферами). Используются автономно или в комплексе с другими механизмами[3]

Глава 2. Всенаправленные колеса. Виды. Преимущества и недостатки

В современной мобильной робототехнике одной из ключевых задач является обеспечение максимальной маневренности транспортных платформ в условиях ограниченного пространства. Традиционные колесные двигатели обладают существенным ограничением: они способны эффективно перемещать платформу только в направлении, перпендикулярном оси вращения колеса. Для изменения направления движения требуется поворот всей платформы, что не всегда возможно в стесненных условиях.

Принципиально иной подход предлагают всенаправленные колеса, которые обеспечивают свойство голономности — способность мобильной платформы перемещаться в любом направлении без изменения ориентации корпуса . Голономная платформа обладает тремя степенями свободы в плоскости: линейное перемещение по осям X и Y, а также вращение вокруг вертикальной оси. Это позволяет роботу мгновенно изменять траекторию, двигаться боком, по диагонали и выполнять разворот на месте, что особенно ценно при работе в складских помещениях, больничных палатах и других пространствах с интенсивным движением .

Всенаправленные колеса находят применение в широком спектре областей: от промышленных автоматических транспортных тележек (AGV) и логистических роботов до реабилитационной техники для лиц с нарушениями опорно-двигательного аппарата . Их популярность обусловлена способностью эффективно маневрировать в динамичной, загроможденной среде с пространственными ограничения

Виды всенаправленных колес

1.Omin колесо, также известное как универсальное или шведское колесо, представляет собой конструкцию, в которой по ободу основного колеса под углом 90° к плоскости вращения расположены пассивные ролики.[4] Ролики имеют форму тороида и свободно вращаются вокруг собственных осей, которые перпендикулярны главной оси вращения колеса. (Рисунок 2.1, Приложения)

2.Колесо Mecanum было запатентовано шведским инженером Бенгтом Илоном в 1973 году и представляет собой более сложную конструкцию . В отличие от Omni-колеса, ролики здесь установлены под углом 45° к оси вращения основного колеса . Внешне колесо Mecanum напоминает «елочку» благодаря характерному расположению роликов, которые могут иметь левую и правую ориентацию для разных сторон платформы (Рисунок 2.2, Приложение)

Преимущества

Главное преимущество всенаправленных колес — способность платформы двигаться в любом направлении без изменения ориентации корпуса. Исследования показывают, что системы на основе колес Mecanum и Omni демонстрируют высокую маневренность в ограниченном пространстве, что особенно ценно в сценариях, где традиционные колесные платформы требуют значительного пространства для разворот. ) [5]

Отсутствие необходимости в разворотах исключает связанные с ними ошибки позиционирования. Робот с всенаправленными колесами может точно подъехать к стеллажу, рабочему столу или другому объекту с любого направления, что повышает эффективность автоматизированных операций в логистике и промышленности 

Всенаправленные платформы позволяют реализовывать сложные траектории движения: перемещение по кругу с сохранением ориентации, синусоидальное движение, параллельную парковку и другие маневры, недоступные для традиционных колесных систем .

Недостатки

Самый существенный недостаток всенаправленных колес. Пассивные ролики, обеспечивающие омни-движение, создают проблему прерывистого контакта с поверхностью. При движении по неровному полу (стыки, мелкие препятствия, неровности) возникают вертикальные вибрации, которые отрицательно сказываются на устойчивости и комфорте . Исследования показывают, что данная проблема особенно актуальна для медицинских реабилитационных устройств, где вибрации могут вызывать дискомфорт у пациентов

Из-за прерывистого контакта роликов с поверхностью нагрузка на отдельные элементы конструкции распределяется неравномерно. При увеличении нагрузки износ роликов становится критическим. Для колес Mecanum характерно быстрое изнашивание роликов вследствие их проскальзывания при определенных режимах движения, особенно при поворотах на месте.

Глава 3. Экскурссии и представление результатов

3.1. Экскурсия в Тюменский индустриальный университет

Экскурсия в Тюменский индустриальный университет показала нам, что обеспечение безопасности на дорогах — это сложный и многоуровневый процесс (Приложение, Рисунок 3.1.1). Мы убедились, что безопасность зависит не только от строгого соблюдения правил всеми участниками движения, но и, в первую очередь, от того, как спроектированы и построены сами дороги. Грамотное проектирование создаёт условия, в которых риски аварий снижаются, а движение становится более комфортным и предсказуемым.

Наш гид, Сергей Павлович, подробно рассказал о том, чем дорога отличается от улицы, объяснил, почему важно не путать эти понятия, и какие особенности имеют различные типы дорожных сооружений. Он также познакомил нас с современными технологиями дорожного строительства. Особое впечатление на всех участников экскурсии произвели новые роботизированные системы, используемые для автоматизации строительных и обслуживающих работ на дорогах. Эти современные машины способны работать с высокой точностью в разных условиях, что ускоряет строительство и делает его более безопасным. Мы узнали, что с помощью этих систем можно контролировать качество покрытия, производить ремонт даже в труднодоступных местах и собирать важные данные о состоянии автодорог

В целом, экскурсия оказалась очень познавательной. Мы увидели, насколько многогранной и технологичной становится сегодня сфера дорожного строительства, и убедились, что безопасность на дорогах начинается задолго до того, как по ним проедет первый автомобиль.

3.2. Экскурсия в автошколу «Главная дорога»

Мы также посетили автошколу «Главная дорога», где для нас организовали информативную лекцию по правилам дорожного движения (Приложение, Рисунок 3.2.1). Преподаватель не только обстоятельно рассказал о правилах, которые должен соблюдать каждый участник движения, но и на конкретных примерах разобрал типичные ситуации, возникающие на дорогах. В процессе обсуждения мы учились правильно оценивать обстановку, реагировать на неожиданные манёвры других водителей и пешеходов, а также прогнозировать возможные риски. Благодаря таким примерам теория перестала быть абстрактной и приобрела реальное значение — знание этих нюансов может в будущем помочь избежать аварий.

После лекции нас ждала практическая часть на современном тренажёре-симуляторе вождения. Каждый из нас смог почувствовать себя за рулём автомобиля в абсолютно безопасной среде. Симулятор точно имитирует различные дорожные условия: движение по городу и трассе, манёврирование в плотном потоке, внезапно возникающие препятствия. Это позволило нам применить полученные знания и понять, насколько важно быть внимательным и быстро принимать решения в нестандартных ситуациях.

Во время экскурсии мы обратили внимание на серьёзную городскую проблему — разбросанные в неположенных местах электросамокаты. Они часто оставляются посреди тротуаров, у входов в здания, рядом с детскими площадками. Такое беспорядочное размещение создаёт опасность для маленьких детей (которые могут споткнуться), для людей с ограниченными возможностями (которым сложно передвигаться по узким тротуарам), а также для пожилых граждан. Всё это затрудняет безопасное передвижение пешеходов, и решению этой проблемы стоит уделять больше внимания.

3.3. Экскурсия в Тюменскую областную думу

Мы посетили Тюменскую областную думу, где состоялась презентация нашего проекта «Робот-самокатовоз» (Приложение, Рисунок 3.3.1). На встрече мы представили разработанную конструкцию робота с всенаправленными колёсами, продемонстрировали его работу на макете и рассказали о программном обеспечении на Python. Проект был показан депутату Тюменской областной думы Глебу Александровичу Т.

Глеб Александрович внимательно ознакомился с представленными материалами, задал уточняющие вопросы о технических характеристиках устройства, области его применения и экономической целесообразности. После обсуждения он выразил уверенность в том, что самокатовоз обладает высоким потенциалом для практической реализации. По мнению депутата, внедрение таких роботизированных систем сможет значительно улучшить транспортную инфраструктуру города, в частности — решить проблему брошенных и хаотично припаркованных электросамокатов.

Мы были искренне рады получить высокую оценку от Глеба Александровича. В своём отзыве он особо отметил инновационность и актуальность нашего проекта, подчеркнув, что подобные разработки востребованы в условиях роста популярности средств индивидуальной мобильности. В завершение встречи депутат рекомендовал нам связаться с каршеринговыми и кикшеринговыми компаниями, работающими в Тюмени и других городах, для дальнейшего сотрудничества и возможного внедрения робота-самокатовоза в реальную эксплуатацию.

Глава 4. Практическая часть

4.1.Разработка и создание роботизированной платформы «Самокатовоз» со всенаправленными колёсами

Прежде чем остановиться на финальной концепции, мы проанализировали ряд альтернативных идей, оценили их плюсы и минусы и выбрали наиболее перспективное решение — платформу «Самокатовоз».Основные неподходящие идеи: Электро‑коллектор, Магнитный сборщик, Роботизированная парковка

После анализа всех вариантов мы остановились на идее мобильной роботизированной платформы «Самокатовоз» со всенаправленными колёсами. 

Эта концепция сочетала мобильность, универсальность и относительно невысокую сложность реализации. Платформа способна:

1.перемещаться в любом направлении без разворота (благодаря всенаправленным колёсам);

2.адаптироваться к городской среде (бордюры, неровности, пешеходные зоны).

Реализация проекта включала пять ключевых этапов модернизации и настройки системы. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

Этап 1. Модернизация всенаправленных колёс и корпуса

Задача. Обеспечить высокую манёвренность и устойчивость платформы при перевозке самокатов.

Решения:

• выбор всенаправленных колёс (омни‑колёс или меканум‑колёс) с полиуретановыми роликами для плавного движения по разным поверхностям;

• оптимизация расположения колёс для равномерного распределения нагрузки;

Этап 2. Разработка механизма подъёма верхней платформы

Задача: Создать надёжный и компактный механизм для регулировки высоты платформы (например, для погрузки/выгрузки самокатов или преодоления бордюров).

Рассмотренные варианты:

• домкрат на рычагах: простой, но громоздкий и требующий значительных усилий;

• пневмоподъёмник: лёгкий и плавный, но зависимый от компрессора и подверженный утечкам воздуха.

Итоговое решение: линейный электродвигатель.

• преимущества: высокая точность позиционирования, компактность, плавный ход, возможность интеграции с системой управления;

• реализация: установка двух параллельных линейных двигателей с синхронизированным управлением для равномерного подъёма.

Этап 3. Внедрение и настройка датчиков и системы компьютерного зрения

Задача: Автоматизировать обнаружение, захват и позиционирование самокатов на платформе.

Компоненты системы: ультразвуковые датчики для обнаружения препятствий и самокатов на расстоянии;

Этап 4. Разработка программного обеспечения

Задачи: обеспечить автономную навигацию с обходом препятствий (бордюры, люди, машины);

реализовать алгоритмы маневрирования с грузом (самокатами) для сохранения устойчивости;

Этап 5. Создание демонстрационного макета

Задача: Визуализировать концепцию и протестировать основные функции перед полномасштабной реализацией.

Реализация:

демонстрация ключевых функций: движение в разных направлениях, подъём платформы, обнаружение макета самоката, обход препятствий.

Результаты:

выявление слабых мест (например, задержки в реакции датчиков) для доработки перед созданием прототипа.

Создание и доработка робота :

Создание:

• определить габариты робота с учётом размеров самоката;

• продумать расположение ключевых компонентов:

  • смарт‑хаб (центр тяжести, защита от ударов);

  • моторы для движения (симметричное расположение);

  • ультразвуковой датчик (фронтальное размещение на оптимальной высоте);

  • линейные двигатели для платформы (по бокам или сзади).

  • Всенаправленные колёса

Дороботка:

• Переход с пневмоподъёмника на линейный двигатель

• Доработка корпуса робота

4.2.Программное обеспечение для управления движением самокатовоза.

Программный код мы создавали на Python. Эта среда для нас новая.

Для последовательного воспроизведения кода мы использовали асинхронные функции. Мы изучали основы практически всю осень, чтобы уверенно создавать свои функции.

Почему мы решили использовать Python?

Python — это популярный язык программирования на текстовой основе. Мы решили использовать его потому что:

Стабильность при работе:Более точный настройки (например миллисекунды и дециградусы)

Простота визуального восприятия: Наличие комментариев, упрощает работу в команде. Программа выглядит компактно и читабельно

Множество инструментов: Разгон и торможение. Асинхронные функции

Выбор среды разработки и обоснование языка Python

• Для реализации системы управления роботом-самокатовозом нами была выбрана среда программирования Python. На момент начала проекта этот язык был для нас новым, однако его архитектура наиболее полно отвечала требованиям задачи.

• В течение осеннего периода мы изучали основы Python, что позволило нам уверенно создавать собственные функции. Основные причины выбора Python:

• Стабильность при работе с реальными данными. Управление движением требует высокой точности. Python позволяет работать с миллисекундами (задержки управления) и дециградусами (поправки рулевого управления), что критически важно для плавного заезда под самокат.

• Простота визуального восприятия и командная работа. Синтаксис языка компактен и читабелен. Наличие комментариев в коде позволило распределить задачи внутри команды без риска внесения ошибок в логику движения.

• Множество встроенных инструментов управления. Библиотеки Python (как стандартные, так и сторонние) предоставляют готовые решения для реализации циклов разгона и торможения, а также асинхронных функций

Организация кода: асинхронное программирование

В процессе создания скриптов управления мы столкнулись с необходимостью выполнять несколько задач одновременно: опрос датчиков, управление колесами, контроль подъёмника и связь с пультом оператора.

Для последовательного и бесконфликтного воспроизведения кода мы использовали асинхронные функции (async/await). Это решение позволило:

Не блокировать основной поток управления во время выполнения операций ввода-вывода (чтение сигнала с ультразвукового датчика).

Точно соблюдать временные интервалы между началом подъема и началом движения вперед.

Мгновенно реагировать на внештатные ситуации (например, резкое торможение при появлении препятствия).

Алгоритм работы программы (Логика управления)

Программное обеспечение реализует трехэтапную физическую операцию по захвату и перемещению самоката. Подъехав к самокату сбоку, робот действует по следующему сценарию(Рисунок 4.2.1, Приложения):

Этап 1. Позиционирование.
Программа подает команды на всенаправленные (Mecanum) колеса. Платформа аккуратно заезжает под переднее крыло самоката. Скорость на этом этапе минимальна, крутящий момент ограничен для исключения удара.

Этап 2. Захват и подъем.
После подтверждения контакта (по датчику нагрузки или ограничению тока двигателя) активируется подъёмник, расположенный на платформе. Программный код плавно увеличивает усилие подъема, благодаря чему переднее колесо самоката мягко приподнимается над землёй. В этот момент вес самоката частично переносится на платформу, а сам транспортное средство сохраняет равновесие, опираясь только на своё заднее колесо.

Этап 3. Транспортировка.
Программа переходит в режим движения. Робот начинает ехать вперед, перемещая зафиксированный самокат в заданную зону парковки или зарядки. На этом этапе контролируется скорость поворотов, так как заднее колесо самоката катится пассивно.

Итоги разработки ПО

В результате проделанной работы программное обеспечение позволяет:

Автоматически выполнять цикл «подъезд — подъем крыла — транспортировка».

Работать в реальном времени с помощью асинхронных функций.

Адаптироваться к рельефу (бордюры, пандусы) благодаря подвижному ультразвуковому датчику и прописанным сценариям поведения.

Список используемых источников

1. 1. 1. 1. sab1.ru gidravliktruck.ru

2. sab1.ru titan-1.ru

3. gidravliktruck.ru

4. https://studica.ca/en/robot-wheels

5.https://www.tj.kyushu-u.ac.jp/evergreen/contents/EG2022-9_2_content/396-403.html

Приложения