Проект "Устройство УГПК как модель сельскохозяйственного робота"

Всероссийский конкурс проектных и исследовательских работ

Научное направление

 Современные технологии в сельском хозяйстве

Робототехническое устройство «УГПК»  как модель промышленного робота

Авторы:

Корзухин Андрей Владимирович,

Гуликян Артем Славикович,

МАОУ «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 4»

8 класс

Научный руководитель:

Кузьминых Ирина Геннадьевна,

учитель  физики и математики,

МАОУ «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 4»

Российская Федерация, Тюменская область

2017

Робототехническое устройство «УГПК»  как модель промышленного робота

Корзухин Андрей Владимирович, Гуликян Артем Славикович

Российская Федерация, Тюменская область, р.п. Голышманово

МАОУ «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 4», 8 класс

Аннотация

Сельскохозяйственная область производства остается актуальной на настоящий момент.  В нашей стране создаются  множества ферм, производств с применением роботов, с помощью робототехнических устройств доят коров, садят и выкапывают картофель.  Устройство «УГПК» позволяет роботизировать посадку, уборку, сортировку картофеля,  в частности гасит  энергию падения клубней, то есть предохраняет их от повреждений. Прототип устройства «УГПК» можно подключать к любому виду сельхозтехники, менять скорость движения транспортера, что является новизной для устройств.

   Цель: Создать робототехническое устройство, как модель промышленного робота, способную  гасить энергию падающих клубней картофеля.

   Задачи:

1.      Изучить  научно-популярную литературу, интернет – источники по  робототизации сельского хозяйства.

2.      Разработать модели устройств, которые могут предохранить от повреждений клубни картофеля при сельскохозяйственных работах.

3.      Провести проектирование, конструирование и программирование  автономного мобильного устройства на базе конструктора, который бы гасил энергию падающих клубней картофеля.

4.       Протестировать робототехническое устройство,  исследовать работу датчиков и сервомоторов.

   Исследования проводятся при изменении параметров скорости в программе, анализом поведения устройства, корректировкой конструкции модели.

 Теоретический метод исследования: изучение научно популярной литературы и интернет – источников.  Практический метод исследования: проектирование, конструирование, и программирование робототехнического устройства.

 Средства исследования: конструктор - Mindstorm , с программным обеспечением - LEGO® MINDSTORMS EV3.

   На основе изучения  работы  модели,  установлено, что робототехническое устройство работает согласно заложенной программе, то есть при определенных условиях, робот может переносить по технологической линии объект с разной скоростью.

Робототехническое устройство «УГПК»  как модель промышленного робота

Корзухин Андрей Владимирович, Гуликян Артем Славикович

Российская Федерация, Тюменская область, р.п. Голышманово

МАОУ «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 4», 8 класс

План исследований

   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.

        Повреждение клубней картофеля при уборке, транспортировке, посадке  неизбежно и  состав­ляет от 15 до 50 % . Основной способ снижения травм - применение машин с медленно движущимися и защищенными рабочими органами, а также обеспечение минимальных перепадов высот на пути движения клубней:  установка скатов, поворотных лотков, гасителей, амортизаторов, датчиков высоты, передвижных каскадных спусков. Но это приспособление для больших производств, а для небольших фермеровских хозяйств, выращивающих не огромные объемы продукции, установка на всю сельхозтехнику устройств будет дорого обходится, а нужно универсальное устройство, которое можно применять на каждом этапе производства картофеля и быстро корректировать его работу.

   Перед нами стала проблема, как  сконструировать робототехническое устройство, имея,  только конструктор,  LEGO® MINDSTORMS EV3 и ресурсный набор, которое бы гасило энергию клубней картофеля при падении.

При изучении принципов работы сельскохозяйственной технике по посадке, уборке, закладке картофеля в сети – интернет и устройств  гасящих энергию падения клубней мы выяснили, что  для каждой сельхозмашины существует свое устройство, а универсальных устройств, которые можно подсоединять на разных этапах производств нет. Мы решили разработать устройство гашения  скорости, в котором можно регулировать скорость движения ленты, устройство которое можно использовать на любом этапе производства картофеля, что является новизной, то есть его можно подключить к комбайнам по посадке, уборке, сортировке, закладке картофеля.

   Объект исследования: созданное робототехническое устройство с  совместным применением датчиков  и сервомоторов.

   Предмет исследование:  работа установленных датчиков и сервомоторов при изменении их параметров.

   Гипотеза:  если использовать конструктор LEGO® MINDSTORMS EV3 , то можно создать робототехническое устройство, которое может  показать, что можно заменить весь комплекс гасителей энергии.

   При работе над проектом были использованы разнообразные методы и приемы: изучение технической и научно – популярной литературы, конструирование, программирование, испытание, корректировка технических ошибок, анализ и систематизация материала.

Дискуссионным продолжает оставаться вопрос о многофункциональности робота.

Практическая значимость работы -   получена модель робота, управление которой осуществляется с помощью программы.

   Предполагаемый результат:

   Созданное робототехническое устройство перемещает ленту с различной скоростью.

В несущей ленте устройства можно менять длину ступенек.

Робототехническое устройство способно переносить объект с определенной скоростью, при падении на него объекта.

   В результате работы - получена модель робототехнического устройства, которая уменьшает скорость падающего объекта. Мы разработали   модель, в которой обозначили параметры установки датчиков и сервомоторов, разработали  программы. Исследовали работу модели в зависимости от конструкции и программы, в результате создали робота, который несет объект и может его перемещать с разной скоростью, выполняют определенную работу.

План исследования

Содержание этапа	Временной промежуток
Изучение научно-популярную литературу,  литературы и сайты в сети Интернет	Февраль – апрель  2017г.
Проектирование и конструирование робототехнического устройства	Март - апрель 2017 г.
Программирование  модели,  исследование работы датчиков, установка программы на микроконтроллер робота.	Март - апрель 2017 г.
Тестирование робототехнического устройства	Апрель 2017 г.

Библиографии

1.      Устройство для гашения энергии падающих клубней плодов картофеля  [Электронный ресурс]. Режим доступа:

                  http://poleznayamodel.ru/model/10/102171.html

2.      Устройство для гашения скорости падения корнеклубнеплодов

                  [Электронный ресурс]. Режим доступа: 

                 http://www.findpatent.ru/patent/111/1115673.html

3.        Формула полезной модели  [Электронный ресурс]. Режим доступа:

         http://naukarus.com/rezultaty-polevyh-ispytaniy

4.      Проект «Робот – сортировщик» [Электронный ресурс]. Режим доступа:

project.1september.ru/works     

Робототехническое устройство «УГПК»  как модель промышленного робота

Корзухин Андрей Владимирович, Гуликян Артем Славикович

Российская Федерация, Тюменская область, р.п. Голышманово

МАОУ «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 4», 8 класс

Научная статья

Введение

   Люди издавна стремились создать механические устройства. Это было вызвано тем, что человек хотел обзавестись помощником, который мог бы выполнять любую независимо от сложности работу. Когда же появились первые роботы?

Первых механических людей изобрел Пьер Дро в 1770 году. [1, стр.10]

   А настоящие роботы появились только с появлением ЭВМ. Эволюция роботов, развивалась, от простого к сложному. [2, стр. 4].

   Роботы первого поколения - программные. [1, стр. 4]. В них жестко заданная программа (циклограмма),  используются роботы в машиностроении, металлургии, атомной промышленности, для обслуживания станков, печей, прессов, литейных машин.  (фото 1). [3]. (фото 1, приложение)

   Роботы второго поколения - адаптивные. Возможность автоматически перепрограммироваться (адаптироваться) в зависимости от обстановки. Изначально задаются лишь основы программы действий,  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. [1, стр. 6]. [3]. (фото 2, приложение)

   В конце 70 - х годов появился новый тип роботов – роботы третьего поколения – называемые также интеллектуальными роботами. Задание вводится в общей форме, а сам робот обладает возможностью принимать решения или планировать свои действия в распознаваемой им неопределенной или сложной обстановке. 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.[2, стр. 24]. [3].  (фото 3, приложение)

   По прогнозам А. Азимова в 2050 году роботы будут выполнять работу за  человека. В России за последние три года созданы робототизированные фермы молочного производства, робототизированные сельхозмашины, которые выполняют всю работу без участия человека.

 При посадке, уборке, сортировке и закладке на хранения картофеля также применяются робототизированные машины и устройства. )[3]   

   В картофелеуборочном комбайне,  главным узлом является приспособление для выкапывания клубней. Они обычно имеют регулируемый угол наклона и глубину погружения. Это приспособление снимает пласт почвы, вместе с картофелем и отправляет его в просеивающий бункер. Двигаясь по транспортёрной ленте, клубни очищаются от земли и ботвы. После этого, при помощи сортировочного механизма, удаляются остатки мусора, и картофель подгоняется под определённый размер. Мелкие клубни отсеиваются. После этого, картофель подаётся в разгрузочный бункер. У некоторых моделей, для такого бункера предусмотрена двойная схема разгрузки.

    Работа всех узлов основана на ременной передаче. Управление техникой происходит из кабины трактора, при помощи датчиков. Мягкость работы достигается за счёт гидросистемы.  Например,  в технике класса «Карлик» накопительный бункер помещается 4 000 килограмм корнеплодов, разгрузка занимает 20 секунд. (фото 4, 5, приложение)

 Из недостатков можно отметить нестандартный размер деталей, который исключает взаимозаменяемость отечественными аналогами,  и высокую стоимость оборудования. 

    В связи с введением санкций,  сельхозпроизводители   увеличили производство продукции, в частности картофеля, второго хлеба россиян. На настоящий момент есть полностью робототизированное производство по выращиванию семенного картофеля, такое предприятие есть в Московской области, Шатурский район.

 Повреждение клубней картофеля  при производстве без участия роботов или амортизаторов состав­ляет от 15 до 50 %.  Современная сельхозтехника  имеет систему скатов, амортизаторов, лотков, которые являются частью машины.  [4, стр. 25]

     Синтетический амортизирующий экран (производство Нидерландов), используется в России, устанавливается на кузов прицепов на специальных эластичных растяжках,  позволяет ссыпать картофель в кузов без повреждения. (фото 6, приложение)

     В России используют и гасители – растяжки.  В США применяют  грузовики с подвижным дном, которое при перевозке снижает повреждение картофеля. Из отечественных изобретений - система амортизирующих лент, прикрепленных к кузову.  (фото 7, приложение)

    Роботизированные комбайны используют только предприятие с большим производством картофеля. Для небольших фермеровских хозяйств, выращивающих не огромные объемы продукции, покупка робототизированного комбайна  нереальна, установка на всю сельхозтехнику устройств будет дорого обходится, а нужно универсальное устройство, которое можно применять на каждом этапе производства картофеля. То есть мы создаем робота второго поколения.

   При изучении принципов работы сельскохозяйственной технике по посадке, уборке, закладке картофеля в сети – интернет и устройств  гасящих энергию падения клубней мы выяснили, что  для каждой сельхозмашины существует свое устройство, а универсальных устройств, которые можно подсоединять на разных этапах производств нет. (рисунок 1, 2 приложение)

   Мы решили разработать устройство гашения  скорости, в котором можно регулировать скорость движения ленты, устройство которое можно использовать на любом этапе производства картофеля,  то есть его можно подключить к комбайнам по посадке, уборке, сортировке, закладке картофеля.

Теоретическая часть

Так как можно уменьшить повреждение клубня картофеля при падении?

Данная задача решается за счет того, что скорость падения картофеля на любую поверхность уменьшается.

  Клубни картофеля в начальной точке падения имеют потенциальную энергию E _п =mgh            , где   h   - высота емкости из которой падает картофель, зависит от сельхозтехники,     - масса клубня картофеля.

  В течение падения потенциальная энергия переходит в кинетическую   E _п - E _к  , и в момент падения потенциальная энергия равна нулю, а кинетическая  –    максимальна , где  v  – скорость падения клубня на поверхность.  Часть кинетической энергии переходит во внутреннюю энергию клубня и поверхности и энергию деформации клубня и поверхности, и если энергия не гасится полностью, то картофель продолжает движение.  Ученые доказали, что при ударе о поверхность, картофель больше деформируется, чем при ударе о другую картофелину. Потеря при деформации может доходить до 30  %  урожая.

  Полная механическая энергия сохраняется при абсолютно упругом ударе, будем считать, что при падении картофеля, сила сопротивления воздуха равно нулю. 

   v   - скорость падения картофеля на разные поверхности   (  , g- ускорение свободного падения,  g ≈ 10 м/с² ), нам известны, следовательно, мы можем рассчитать скорость падения клубня на поверхность, практически без деформации.

  hд  - допустимая высота для безопасного падения клубня,  vд      -  скорость, при которой клубень не повреждается, не деформируется. Тогда мы должны уменьшить скорость клубня за счет уменьшения кинетической энергии, т. е. уменьшение скорости на величину            

  v -  vд  , допустимая высота падения известна.

Картофелекопатели, картофелеуборочные комбайны, сортировальные комплексы и картофелесожательные комплексы имеют разную поверхность.

Мы рассчитали допустимую скорость падения клубней картофеля на различную поверхность.

Плоская горизонтальная поверхность	металлическая (пружинистая тонколистовая)	деревянная сплошная	деревянная решетчатая	прорезиненная	грунт
Допустимая высота падения клубней, м	0,5 – 0,8	0,25-0,5	0,15-0,25	0,5-0,75	2
Допустимая скорость падения клубней, м/с	3,2 – 4,0	2,2 – 3,2	1,7 - 2,2	3,2 – 3,9	6,3

 Практическая часть

    Техническим результатом, обеспечивающим приведенной совокупностью признаков, является устройство для загрузки, разгрузке картофеля, снабженное гасителями скорости клубней, устройство «УГПК».

   Устройство выполнено в виде эластичной ленты, в отверстия которой вставляются стержни, образующие из ленты желоб и несущие эластичные пластины для гашения скорости, скатывающегося по желобу картофеля, лента намотана на барабан лебедки, с электродвигателем. Электродвигатель крепится жестко, другая часть ленты закреплена не жестко.

     Работает устройство следующим образом. Устройство крепится, например, к кузову, на него сыплется картофель. Посредством лебедки опускают ленту в кузов машины или бункер, или держат в подвешенном состоянии, на определенную глубину. Картофель падает на ленту, как на ступеньки.

   Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:

На рисунке 1:  1 – лента, 2- барабан, 3 – электродвигатель, 6, 7, 8 – шестеренки, с зубцами ( 7 и 8  - можно снимать).

     На рисунке 2: 1 – лента, 4 – отверстия, стержни – 5.

    Стержни вставлены с эластичную ленту, по размеру меньше, чем лента и изготовлены из  пружинистой тонколистой стали.

    Эластичная прорезиненная лента, наматывается на барабан, Закреплен электродвигатель (можно и не использовать).  По краям ленты имеются  отверстия, в них вставляются стержни. Лента наматывается на шестеренки. Шестеренка 6 закреплена, 7, 8 можно переставлять, регулируя длину ленты и угол  наклона, шестеренку 7 можно убрать, тогда изменится угол наклона, станет 0.

     Когда бункер или кузов заполняется картофелем, удаляются стержни из верхней части ленты и наматывают ее лебедкой на барабан, также убирая стержни, изменяют упругость ступеньки, и, следовательно, изменяют скорость.

     Картофель падает на эластичную ленту, и скорость уменьшается за счет перехода кинетической энергии во внутреннюю, деформацию поверхности (упругую) ленты и увеличение силы трения. Длину устройства и угол наклона  можно регулировать, что позволит использовать устройство на пути всего производства картофеля. Также убирая или добавляя стержни,  мы можем сделать ступеньки более упругими.

Конструирование

  Конструированием   мы занимаемся четвертый год. С помощью ЛЕГО WEDO,  NXT,  EV3 мы создавали модели  машин,  электростанций и подъемных механизмов, сортировщиков, манипуляторов, и нам интересно было создать модель робота с совершенно другими функциями. (фото  8, 9  приложение)

 В нашем случае для сборки робота имелся конструктор  LEGO® MINDSTORMS EV3 .

   Модуль EV3  — это центр управления, который приводит в действие  роботов. Благодаря экрану, кнопкам управления модулем и интерфейсу модуля EV3, содержащему четыре основных окна. Конструировать роботов  — это увлекательное занятие,

однако главное в робототехнике — «вдохнуть в них жизнь», то есть заставить их двигаться и выполнять задачи. Программное обеспечение LEGO

MINDSTORMS®Education EV3 встроено в программу компьютера.  [5]

Датчики EV3: датчик цвета, гироскопический датчик, датчик касания, ультразвуковой датчик. [6]

Мы сконструировали модель робота, к микроконтроллеру по имеющимся  входа портам мы подсоединили несколько  различных датчиков и  моторы в порты выхода.

Мы разработали две модели робототехнического устройства, проведя исследование,  выбрали наиболее простую в управлении модель. ( фото 10, 11,  приложение).

Программирование

   Никакому автономному роботу, конечно же, не обойтись без программы. Языками программирования роботов являются  LabVeiw, NXT-G,  EV3, RoboLab.  Мы имели в наличии  EV3. [4, стр. 45]

   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.  [5, стр. 54]

   При конструировании моделей мы исследовали работу моделей и меняли их параметры.

   Характеристика теоретического исследования: исследования показывают, что возможно создать робота, гасящего энергию клубней.

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

Результаты

   Мы изучили физические процессы, происходящие при падении картофеля, выяснили, что существует несколько устройств, которые гасят энергию клубней, данные разработки были в СССР, и существуют  России и других странах мира. Подобные устройства существуют при гашении скорости водяного потока на электростанциях, добычи нефти и газа.

     Робототехническое устройство «УГПК» состоит из несущей ленты, которая  двигается с различной скоростью при изменении в программе настроек мощности двигателей, изменяя количество оборотов за единицу времени. Клубни картофеля падают на ленту, и она переносит их со скоростью допустимой для данной поверхности. Скорость картофеля гасится, и он не повреждается.  Данное устройство можно подключать к любой сельхозтехнике:  картофелесажалке, картофелеуборочном комплексе, сортировщике, засыпать в кузов для перевозке и  бункер для хранения. При подсоединении к сельхозтехнике, меняется длина ленты, количество ступенек и скорость перемещения ленты. Поэтому устройство универсально.

   Мы выбрали научный метод исследования с доказательством созданного робота и пришли к выводу, что при  помощи имеющегося в наличие конструктора можно собрать и запрограммировать модель робототехнического устройства, которое в последствии, можно реализовать в сельскохозяйственную установку для использования в реальных условиях. 

   Данная модель может использоваться при изучении характеристик движения, импульса, энергии на уроках физики,  технологии.

Заключение

   В процессе работы над данной темой,  наша гипотеза полностью подтвердилась, мы доказали, что существует реальная возможность  создать робототехническое устройство на базе  Робот Mindstorm EV3. Мы приобрели теоретические и практические новые знания в конструировании и программировании. 

   Мы доказали это,  достигнув поставленной перед собой цели,  сконструировав и протестировав модель.

   Робот может управляться оператором,  либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, в строительстве, при рутинной работе, при работе с тяжёлыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжёлых или небезопасных для человека условиях.

    Теоретическая значимость работы – в ходе проектирования, конструирования, программирования моделей, мы дополнили свои знания в области физики, математики, технологии.

   Практическая значимость работы – в ходе выполнения исследовательской работы, была разработана  модель робота, управление которой осуществляется с помощью программы EV3.

  Другим способ решения, мы бы предложили возможность установки на емкость, из которой сыпется картофель, устройство к котором установлен насос и, регулируя скорость воздушного потока, можно уменьшить скорость падения картофеля, или установить на устройстве маленькие отверстия, из которых будут поступать потоки воздуха (как сопло в турбине) (рисунок 3: 1 – корпус, 2 – сопла, из которых подается воздух). Но такое устройство будет экономически невыгодно, так как себестоимость будет высока и устройство будет недолговечно.

     Или вообще создать магнитное поле, в котором картофель  будет снижать скорость падения (картофель используют в качестве батарейки). Установить на кузов машины упругий матрас с пружинами, чем не выход. Амортизирующий экран производства Голландии и амортизирующие ленты российского производства имеют недостаток, они не определяют до какого уровня можно загружать картофель. Мы предлагаем снабдить кузов машины несколькими датчиками, и по мере загрузки картофеля, экран или ленты будут опускаться, и нажимать на датчики, которые сообщат, звуком, импульсом, наполняемость кузова (рисунок 4:1- кузов, 2- амортизирующий экран, 3 – датчики касания). 

 Предложенный способ с пластичной лентой и стержнями считаем наиболее рентабельным.

   И потом никто не отменял, скаты, датчики и амортизаторы.

   Использование же труда роботов в производственном цикле на сельхоз фермах и предприятиях  позволит  оптимизировать производство, повысить качество продукции и окупаемость вложенных средств.

Современные устройства для минимизации повреждений картофеля  предложены российскими инженерами. (рисунок 3, 4, приложение).

Передовые проекты и инновации должны стать приоритетом развития сельского хозяйства России в ближайшей и среднесрочной перспективе и сыграть ключевую роль в политике импортозамещения.

   Но можно перечислить ряд успешных внедрений уже на сегодня: робототизированные молочные фермы, робототизированная уборка картофеля.

   Получать высокие прибыли компании могут не только дедовским методом увеличения и расширения производства, но и с помощью его максимальной оптимизации, посредством внедрения авангардных решений, в частности робототизации,  то есть компьютерным управлением всего производства. (фото12, приложение)

Литература

1.                              Рейд С., Фара П. История открытий. -  Москва:  Просвещение , 1999 г. -286 стр.

2.                              Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – Санкт - Петербург: Наука, 2013г. – 319 стр.

3.                              Робототехника. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://robototechnika.ucoz.ru/pdf/spravka_po_po_lego.pdf - дата обращения: 16.12.2014

4.                              Н.И. Кленин, С.Н. Киселев, А.Г. Левшин Технологические линии послеуборочной обработки картофеля Москва:Наука, 2004 г. – 234 стр.

5.                              Дженжер В. О., Денисова Л. В. Введение в программирование LEGO – роботов на языке  NXT – G. -  Москва: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ» 2014 г. – 87 стр.

6.                              Работа датчиков [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http:// legoleaguecoaching.org. - дата обращения: 23.03.2015

7.                              Роботы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://robot70.narod.ru/index/0-10 - дата обращения: 05.04.2015

Фото 1

Фото 2                                                       Фото 3

 

Фото 4                                                       Фото 5

  

Фото 6                                     Фото 7

   

Рисунок 1                                           Рисунок 2

 

Фото 8                                          Фото 9

    

Фото 10                                  Фото 11

 

Рисунок 1      Рисунок 2

 

Фото 12