Проекты

Модуль забора грунта

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Машиностроение и транспорт. Робототехника»

Направление работы: Робототехника, Космические технологии
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1363
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

Развитие космических технологий играет важную роль в жизни человека. С одной стороны, развиваются технологии, связанные с современностью: ракетостроение, спутникостроение, обслуживание существующих космических летательных аппаратов. А с другой стороны, существует ряд разработок, имеющих отношение к изучению спутников астероидов или планет. Развитие данного направления является актуальным, так как изучение ресурсов на небесных телах имеет непосредственное отношение к будущему нашей планеты и человечества.

В качестве предмета проекта выбрана разработка модуля для взятия образца грунта.

Цель

Разработать модуль, который позволяет производить забор песчаного грунта, осуществляет измерение показателей грунта (влажность, температура) и перемещает грунт в контейнер в зависимости от заданных параметров.

Задачи

1. Проанализировать имеющиеся варианты решения проблемы.

2. Спроектировать 3D-модель будущего механизма.

3. Разработать электрическую схему.

4. Разработать алгоритм работы модели.

5. Прописать программный код, осуществляющий работу сервоприводов.

6. Произвести отладку и интеграцию элементов, тестирование полученной модели.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Fusion 360

• Материал – PLA-пластик для создания деталей модуля

• 3D-принтер FlyingBear Ghost 5

• Arduino Nano (1 шт.)

• Сервомотор sg90 (4 шт.)

• Датчик температуры LM35 (1 шт.)

• Датчик влажности почвы fc 28 (1 шт.)

• Программа Fritzing

Описание

Разработка трёхмерной модели. Автором разработан эскиз и создан чертеж в программе Fusion 360. Конструкция стрелы манипулятора выполнена по аналогии со стрелой башенного крана и приводится в движение горизонтальной тягой (за счёт работы сервомотора). Ковш представляет собой цилиндр с вытянутым заострённым концом. Внутри ковша предполагается размещать датчики. На данном этапе отдельного внимания заслуживала доработка длин рычагов: данная работы выполнялась в несколько заходов.

 

Разработка электросхемы в программе Fritzing.

 

Создание прототипа. Для создания модели модуля забора грунта распечатали 15 деталей.

Кодирование сервоприводов и датчиков осуществлялось на языке программирования C.

Наиболее трудоёмким оказался этап интеграции. При интеграции вынуждены были внести изменения:

Произведена замена шагового мотора на сервомотор, так как выяснилось, что невозможно запрограммировать шаговый мотор таким образом, чтобы он полноценно выполнял свою задачу.

Выявлено неправильное соотношение шестерёнок: передаточное отношение (1:4) не удовлетворяло условию поставленной задачи и в результате длины дуги на 180не хватало для того, чтобы повернуть большую шестерёнку на 90. Возникла необходимость пересчитать передаточное соотношение шестерёнок (1:2).

Результаты

1. В результате была разработана дееспособная модель модуля по забору песчаного грунта.

2. Модуль является статичным, для его передвижения необходимы дополнительные передвижные платформы.

3. Основанием модели является выполненная из PLA-пластика конструкция, на которой закреплены манипуляторы для забора грунта и контейнер для сбора образцов.

4. Ковш для забора грунта представляет собой ёмкость цилиндрической формы, выполненную по образцу пробоотборников (приборов для взятия образцов почвы и т. п.).

5. Манипулятор состоит из поворотного основания, на котором закреплена кран-балка. Манипулятор приводится в движение тремя сервоприводами, закрепленными на его основании: первый сервопривод приводит в движение центральную балку, второй приводит в движение коромысло-кран-балку, третий отвечает за движение (подъём и опускание) ковша.

6. Датчики (датчик измерения влажности и датчик измерения температуры) закреплены непосредственно в ковше. Работа датчиков и поворотных механизмов регулируется кодом, прописанным на языке C на базе среды разработки Arduino IDE.

При работе модуль забирает грунт, проводит измерение влажности и температуры взятого образца, сравнивает показатели взятого образца с заданными параметрами. Если образец не соответствует заданным параметрам, модуль возвращает образец на почву. Если образец соответствует заложенным в программе параметрам, механизм перемещает взятый образец в контейнер для хранения и дальнейшей транспортировки.

Вывод

Разработанный модуль забора грунта представляет собой экспериментальный образец, выполненный из доступных материалов (PLA-пластика).

Перспективы использования результатов работы

В перспективе предполагается доработка конструкции модели с точки зрения надёжности сохранения взятого материала (контейнер для перевозки взятого образца и ковш для взятия образца должны быть дополнены деталями, которые позволяли бы сохранять образец в том виде, в котором он был взят с поверхности) и улучшения внешнего вида модели с точки зрения эргономики. Предполагается дополнить модуль буровой установкой, которая позволит брать образцы грунта на большей глубине.