Роботизированный комплекс для химического анализа донных осадков

Актуальность

Изучение состава и свойств отложений, покрывающих дно морей и океанов, очень важно для строительства морских сооружений, поиска и добычи минеральных ресурсов, изучения изменений климата на нашей планете и истории формирования Мирового океана. Химический состав – это одно из важнейших свойств донных осадков. Существует большое количество методов для его определения. Рентгенофлуоресцентный анализ является одним из наиболее распространённых и быстрых способов оценки содержания элементов в исследуемом образце (от Mg (магния) до U (урана) с использованием анализатора Olympus Vanta C). Проведение рентгенофлуоресцентного анализа – это сложная, монотонная и небезопасная работа. Доступных решений для автоматизированного анализа химического состава серий образцов в соответствии с требованиями и протоколами ИО РАН не существует. На проведение данного вида анализа затрачивается большое количество времени специалистов. Значительный объём работы и сжатые сроки её выполнения повышают вероятность ошибок за счёт «человеческого фактора». Данный проект направлен на автоматизацию процесса выполнения анализа химического состава донных осадков, повышение эффективности, точности и безопасности исследований.

Цель

Создание роботизированного комплекса для выполнения анализа химического состава донных осадков в автоматическом режиме.

Задачи

1. Проектирование, изготовление и сборка основных конструкционных элементов комплекса.
2.  Подбор, подключение и настройка электронных компонентов.
3. Написание программы для управления работой комплекса.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Макет рентгенофлуоресцентного анализатора Olympus Vanta
• Робот-манипулятор с параллельным захватом
• 3D-принтер FELIX 3.0
• Паяльная станция
• Персональные компьютеры с установленным ПО (Autodesk Fusion 360)
• Arduino UNO
• Шаговый двигатель с драйвером
• Модуль считывания штрих-кода
• ЖК-дисплей 16x2 (I2C)
• Приводной винт, линейный модуль, подшипники, зубчатые шкивы и ремни,
• Алюминиевый профиль, фанера, ручной инструмент
• Соединительные провода и кабели

Описание

Авторы работы выполнили проектирование основных конструкционных элементов комплекса с помощью программного обеспечения Autodesk Fusion 360, изготовили эти элементы методом 3D-печати, а также с помощью ручного инструмента из фанеры и алюминиевого профиля. Авторы осуществили подбор, соединение и настройку электронных компонентов, написали программное обеспечение, собрали итоговый прототип комплекса и провели его испытания.

Комплекс состоит из рентгенофлуоресцентного анализатора химического состава Olympus Vanta C с автоматизированным устройством подъёма защитного кожуха, робота-манипулятора Lucas Nuelle Mover4 HD (для перемещения кювет с образцами донных осадков на анализатор), наклонной горки (для подачи серии образцов для анализа). Робот в автоматическом режиме по очереди переносит образцы в кюветах с «горки» на анализатор, который автоматически закрывается защитным кожухом для защиты окружающих людей от рентгеновского излучения. Номера образцов определяются сканером штрих-кода и передаются на управляющий компьютер через Arduino. Так удаётся избежать ошибок при учёте проанализированных образцов. После анализа робот переносит образцы с анализатора в специальную зону для хранения.

Результаты работы/выводы

Создан прототип роботизированного комплекса. Комплекс имеет невысокую в сравнении с аналогами стоимость, обеспечивает увеличение производительности более чем в полтора раза по сравнению с проведением анализа вручную, повышает точность и безопасность работ при сохранении высокой мобильности и возможности использования на научных судах.

Перспективы использования результатов работы

Полученный прототип комплекса будет использоваться учёными Института океанологии им. П.П. Ширшова для проведения анализа серий образцов донных осадков.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

1. Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся 2021 года – ­ победитель.

2. VI Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – ­ призёр.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Это был важный и интересный опыт работы в команде над сложным проектом, который будет использоваться настоящими учёными»