Автоматическая система уборки помещений

ОБЛАСТНОЙ СЛЕТ-КОНКУРС

«ЮНЫЕ КОНСТРУКТОРЫ ДОНА - ТРЕТЬЕМУ ТЫСЯЧЕЛЕТИЮ»

Секция «Робототехника»

«Автоматическая система уборки помещений»

Место выполнения: Муниципальное образовательное учреждение дополнительного образования детей Станция юных техников

города Каменск-Шахтинского

Автор:

Анопка Виолетта

обучающийся объединения

«Робототехника»педагог дополнительного образования высшей категории МОУ ДОД СЮТ

2017 год

Фото 1.

Фото 2.

Аннотация

Робот-пылесос - это пылесос, который работает без помощи человека, самостоятельно. Робот-пылесос оснащен искусственным интеллектом, благодаря которому пылесос может производить уборку помещений в автоматическом режиме, несмотря на различные препятствия, такие как стены, мебель и прочие предметы в комнате. Это становится возможным благодаря применению специальных сенсоров. Они же не дают пылесосу падать, если он попадает на ступеньку. Более того, некоторые модели способны запоминать места расположения предметов в пространстве, что позволяет в будущем ощутимо сократить время уборки одних и тех же помещений. Роботы-пылесосы - это новая в нашей повседневной жизни интеллектуальная бытовая техника, которая создана для облегчения и выполнения каждодневной, повторяющейся работы по уборке помещения.

Цель проекта:

• формирование у обучающихся технико-технологической грамотности;

• развитие интереса к технике, умение пользоваться технической литературой;

• углубление и расширение полученных знаний;

• создание условий для развития личности ребенка, повышение у детей культурного уровня и воспитание уважения к общечеловеческим ценностям;

• развитие познавательных способностей детей.

1. Рождение идеи проекта.

Всё больше и больше мы используем в быту современную бытовую технику, жизни без которой мы уже просто не мыслим. Электрические приборы, которые помогают нам в стирке и глажке белья, измельчении продуктов, быстрое приготовление пищи, мойке посуды, и т. д.

Прогресс не стоит на месте, даже до уборки помещений добрался, Созданы умные машины которые пылесосят ковры, моют пол, натирают паркет, а привычные пылесосы, швабры и веники потихоньку уходят в прошлое.

Обеспечение чистоты в доме – вот что является по-настоящему непростой задачей, особенно если работа отнимает практически все силы и время. Едва ли кому-то будет приятно проводить единственный свой выходной день за уборкой. Но теперь вам этого делать и не придется, так как появился новый автономный помощник в уборке по дому – это робот пылесос!

Эффективность уборки весьма высока, так как такие приборы оснащены не только вращающейся турбо щеткой, но и боковыми щетками, которые дают пылесосу возможность захватывать грязь возле стен и в углах. Ультрафиолетовые лучи, которые исходят от встроенной в пылесос лампы, уничтожают бактерии, делая воздух более безопасным, а также это устройство способно ароматизировать его.

Существуют несколько типов роботов уборщиков:

Роботы пылесосы - предназначены для сухой уборки помещения от пыли и загрязнений с поверхностей за счёт всасывания потоком воздуха.

Моющие роботы пылесосы - предназначены для влажной уборки помещения с использованием моющего раствора.

Роботы полотеры - предназначены как для сухой, так и для влажной уборки, при помощи салфеток из микрофибры.

У хозяйки имеется уникальная возможность задать определенные графики уборки, например, ежедневно с одиннадцати часов утра. Таким образом, вы уходите на работу в восемь, а в одиннадцать пылесос сам включится и начинает уборку в ваше отсутствие. Все, что от вас потребуется по возвращении домой – это освободить контейнер для сбора мусора – две минуты работы. Во время уборки пылесос самостоятельно будет возвращаться на базу для подзарядки, поэтому отключать ее не нужно. В остальном же вам только останется наслаждаться абсолютно чистотой пола, периодически смахивая пыль с мебели. Пылесос справится даже с влажной уборкой, причем осуществит ее очень качественно, особенно, если залить в бак моющее средство, а не чистую воду. Чистота – залог здоровья, а робот пылесос – залог массы свободного времени!

Робота пылесоса зарубежного производителя могут позволить себе не все домохозяйки, из-за высокой цены. Отечественные производители пока не производят роботов уборщиков.

1. Этапы изготовления узлов и сборка устройства.

Изучив несколько моделей роботов пылесосов на сайте «сhttp://ru.wikipedia.org/wiki/Робот-пылесос», их принципы работы, алгоритм движения, решила создать простого робота помощника для уборки помещений.

Принцип работы робота-пылесоса такой же, как и обыкновенного, классического пылесоса - с помощью щеток сметает мусор, а затем всасывает, тем самым очищается поверхность. Эти машины способны работать на всех типах напольных покрытий. Необходимо только включить робота, настроить несколько параметров и пылесос готов к работе. Всю уборку робот делает абсолютно самостоятельно, только потребуется время от времени очищать пылесборник, фильтры и щетки. Мощность двигателя роботов-пылесосов меньше, чем у ручного пылесоса, так как работает он от батареи и это напрямую влияет на время работы, но в мощности всасывания он не уступает, благодаря своей конструкции и форме пылесборника. При уборке две передние щеточки подгребают мусор к центру, затем основная щетка перебрасывает его в пылесборник.

Материалы и инструменты.

Для изготовления робота-пылесоса применялся следующий материал:

• Металопластик –по прочности он не уступает металлу, легкий, хорошо обрабатывается. Из него изготовлена рама робота. Можно применить и другой материал, по дороже, например дюралюминий.

• Кровельная жесть толщиной 0,5 мм – для изготовления ходовых редукторов, каркаса щеточного механизма. Использовались обрезки от водосточной трубы

• Пластмасса толщиной 2…4 мм – для изготовления пылесборника, кассеты для аккумулятора, поддерживающих роликовых колес, передний бампер-датчик. Использовался корпус от списанного принтера.

• Одежные щетки (ворса от щеток) – для изготовления круглой щетки для щеточного механизма.

• Крепежный материал различного диаметра и длины.

• Круглый металл (прутки) различного диаметра – для изготовления осей, втулок. Использовались валы от списанного принтера.

• Электродвигатели и шестеренки от детских игрушек – для передвижения робота, для боковых и основной щетки.

• Акриловая краска различных цветов.

Электрическая начинка робота-пылесоса.

Все радиодетали использовались от списанной радиоаппаратуры, за исключением фотодатчиков и контроллера.

В состав электронной начинки входят следующие блоки:

Блок управления ходовыми двигателями (драйвер, рисунок 2) построен по классической схеме. Принцип работы прост, сигналы на входе А1 - единица, на А2 - ноль, двигатель вращается в одном направлении. Меняем входные сигналы на противоположные, то и вращение двигателя меняется на противоположное. В роботе таких двигателей два, поэтому движение робота построено по танковой схеме.

Оси ведущих колес расположены на одном диаметре окружности корпуса. Такая кинематическая схема позволяет роботу совершать разворот на месте без изменения границ, занимаемой роботом площади. В итоге, он в принципе всегда может выбраться из того места, куда забрался.

Рисунок 2.

Блок питания робота (рисунок 3). В состав блока питания входит стабилизатор напряжения для питания электроники, Блок контроля заряд – разряд аккумулятора, микросхема DA1, обеспечивает своевременное подключение к зарядному устройству, и электронное реле двигателей – щеток, включает и выключает их. Это нужно для того чтобы аккумулятор не разрядился до конца и робот смог доехать до зарядной базы. Микросхема DD1 применяется как таймер для задержки включения ходовых двигателей. Время задержки 5…6 секунд, за это время хозяйка успевает покинуть поле обзора датчиков робота.

Рисунок 3.

Датчики препятствий (рисунок 4), необходимы для объезда ножек стола, стульев, шкафов, лестничных площадок и т. д. В блоке их восемь датчиков. Два контактных, расположены на бампере робота. Четыре инфракрасных датчика, два датчика (микросхемы DA2 и DA3) находятся с впереди и срабатывают тогда, когда препятствие выше бампера – датчика. Еще два – сзади робота, контролируют пространство сзади. Два датчика пола (микросхема DA1) установлены на днище робота и контролируют поверхность пола, в случае выезда робота на лестничную площадку. Они не позволяют роботу упасть, возможно убирать пыль на верху шкафов. Робот может преодолевать препятствия (пороги) высотой до 1,5 см при благоприятной форме перехода.

Диоды VD2 – VD10 выполняют функцию шифратора сигналов поступающих с датчиков, а микросхема DD1 преобразования этих сигналов до логических уровней и согласования с микроконтроллером.

Рисунок 4.

Основной блок управления роботом (рисунок 5) построен на контроллере ATmega8-PU (DIP 28). В этот блок стекается вся информация с датчиков. В контроллер загружен файл с расширением «*.hex», взятый с сайта «http://avr.nikolaew.org» через программатор UniProf. Эта программа больше всего подошла по алгоритму работы для робота – пылесоса. В роботе предусмотрен порт UART для приема и передачи данных TTL уровня.

Микроконтроллер ATmega8-PU сочетает в себе функциональность, компактность и сравнительно не высокую цену. Ниже приведены характеристики микроконтроллера

EEPROM --- 8 Кб.

Аналоговые входы (АЦП) --- 4.

Входное напряжение --- 4,5-5 Вольт.

ОЗУ --- 256 байт.

Тактовая частота --- 4…16 МГц.

Flash-память --- 8 кБ.

Рисунок 5.

Схема зарядного устройства с маячком, для возврата робота на базу, показана на рисунке 6. Инфракрасный импульс с частотой 36 кГц постоянно посылается маячком при работе робота – пылесоса. При разряде аккумулятора до критической нормы на роботе включается приемник инфракрасных сигналов (датчик UP1 рисунок 5), и робот следует на базу для подзарядки аккумулятора.

Рисунок 6.

Механическая начинка робота-пылесоса.

При разработке чертежей робота учитывались легкодоступные, и дешевые материалы. На чертежах даны только сложные в изготовлении детали. На рисунке 6 дан чертеж основной рамы робота. Форму робота выбрала круглой. Она позволяет роботу совершать разворот на месте без изменения границ, занимаемой роботом площади.

Рисунок 6

На рисунке 7 показан чертеж поддерживающего колеса.

Рисунок 7.

На рисунке 8 показан эскиз одного редуктора ходового двигателя. Второй редуктор аналогичный первому. Диаметр колеса 50 мм. Скорость вращения колеса должна быть 100 мм в секунду.

На рисунке 9 примерный эскиз редуктора для щеток- подметалок, он нужен для того чтоб при вращении не поднимал пыль, а медленно перемещать мусор к основной щетки. Диаметр щетки 90 мм.

Конструкции редукторов могут быть и других видов.

Рисунок 8. Рисунок 9

Важный элемент в роботе - пылесосе, пылесборник и щеточный механизм показан на рисунке 10 - примерная схема заводского варианта демонстрирует основной принцип сбора пыли, на рисунке 11 – самодельный.

Рисунок 10.

Рисунок 11.

На следующем рисунке 11 показан сборочный чертеж робота с пояснениями.

Рисунок 12.

1. Поддерживающий ролик.

2. Рама робота.

3. Щеточный механизм.

4. Ведущие колеса.

5. Щетки-подметалки.

6. Датчики пола.

7. Датчики препятствия.

8. Корпус щеточного механизма.

9. Отсек аккумуляторный.

10. Двигатель щеточного механизма.

11. Ходовые двигатели.

12. Двигатели щеток-подметалок.

13. Пылесборник.

14. Плата драйверов ходовых двигателей.

15. Плата контроллера.

16. Платы датчиков препятствий (инфракрасные).

17. Плата преобразования (согласования) сигналов сдатчиков.

18. Плата блока питания.

19. Вентилятор всасывания.

20. Пульт управления роботом.

Корпус робота изготовлен методом выклейки на оправке. Для выклеивания использовалась эпоксидная смола и хлопчатобумажная ткань. После шлифовки и грунтовки рама и корпус окрашены акриловыми красками различных цветов.

1. Испытания

После сборки и отладки электроники проводились испытания робота – пылесоса на Станции Юных Техников в лаборатории «Робототехники». В качестве мусора использовались, мелко нарезанная бумага, металлические и деревянные опилки.

При питании робота от аккумулятора 12 вольт ток потребления составил 2,5 ампер, что соответствует мощности 30 ватт. Время работы при полностью заряженном аккумуляторе составило 60 минут. За это время он успел убрать помещение площадью 35 кв. м. В помещении находилось 4 стола и 8 стульев, пол покрыт линолиумом. Блок питания базы потреблял 15 ватт при холостой работе и 40 ватт при зарядке аккумулятора.

Техническая характеристика готового робота - пылесоса:

Рабочее напряжение аккумулятора----12 В. 4,7 ампер.

Номинальная мощность----30 Вт.

Скорость-----0.1 м/сек.

Емкость контейнера для мусора----0.5 л.

Уровень шума---не более 62дБ.

Время зарядки---4 часа.

Максимальная площадь уборки за 1 час ---35 кв.м.

Размеры--- диаметр – 320мм, высота - 100 мм.

Вес---2.8 кг.

Примерный алгоритм движения робота показан на рисунке 13.

Рисунок 13.

Испытания показали, что использования подшипников открытого типа в редукторе ходовых двигателей робота – пылесоса не допустимо. Подшипники были заменены на закрытые.

На бампер – датчик приклеили резиновую полоску для мягкого столкновения с препятствиями, мебель останется не поврежденной.

1. Заключение.

Затраты на изготовление робота – пылесоса составили:

1. Аккумулятор – 800 руб.

2. Контроллер – 180 руб.

3. Фотодатчики – 96 руб.

4. Краска акриловая – 120 руб.

5. Припой – 40 руб.

6. Щетка одежная – 50 руб.

Всего затрачено денег: 1286 руб.

Затрачено на изготовление робота – пылесоса 37 занятий.

Робота-пылесоса можно применить для домашней уборки напольных покрытий (полов). Он может убирать полы из дерева (паркет, гладкая доска), ламинированные полы, линолеум, керамическую плитку, наливные полы, ковры с коротким ворсом.

Робот-пылесос нельзя использовать в следующих ситуациях: на мокром полу, в туалете, ванной комнате и других влажных помещениях, на лестнице, в комнате с работающим камином или печкой, ковры с длинным ворсом.

Считаю, что с поставленной задачей справилась.

17