Детско–взрослый проект по робототехнике Тема: «Роботизированный уборщик улиц «РУУ»

Автор: Автамонова Ольга Викторовна

Организация: МБДОУ «Детский сад № 429»

Населенный пункт: Нижегородская область, г. Нижний Новгород

Оглавление

Введение

Обзор существующих решений

Выбор конструкторов и их применимость для создания робота

Обоснование выбора модулей и компонентов для робота-уборщика

Сборка робота «РУУ» и тестирование

Заключение

Список литературы 

Приложения 

 

Введение

Проблема загрязнения окружающей среды отходами человеческой деятельности остается одной из самых острых на протяжении многих лет. На улицах, вдоль дорог, на прилегающих к жилым домам территориях и на остановках общественного транспорта часто можно увидеть горы мусора: упаковки от мороженого, шоколадок, чипсов, пластиковые бутылки, жестяные банки, полиэтиленовые пакеты и многое другое. Нередко местные жители выбрасывают бытовые отходы прямо на обочины или перекрестки дорог.

Актуальность исследования заключается в необходимости внедрения автоматизированных систем в сферу городской уборки, что может привести к снижению затрат и повышению качества работы. В условиях растущего числа городских жителей и увеличения объемов мусора, автоматизация процессов уборки становится неотъемлемой частью современных городских технологий.

Причины плохой уборки на улицах могут быть разнообразными, и они часто зависят от конкретного города или региона. Вот несколько основных факторов:

1. Нехватка персонала - профессия дворника не престижна;

2. Увеличение населения - рост численности населения в городах может приводить к увеличению объемов мусора, что затрудняет поддержание чистоты;

3. Не автоматизирован процесс уборки улиц.

Новизна идеи: Разработка прототипа мобильного робота-уборщика, собранного из конструктора, способного автономно перемещаться по тротуарам и собирать мусор, с использованием простых механических захватов и контейнера для отходов, чтобы минимизировать физическую нагрузку на дворников в городских условиях.

 

Основной целью данной работы является разработка прототипа робота, который сможет эффективно выполнять функции по уборке мусора на улицах, тем самым способствуя улучшению городской инфраструктуры.

Проблема недостатка рабочей силы и высоких затрат на ручной труд требует инновационных подходов, и создание подобного устройства может значительно повысить эффективность уборки.

Задачи проекта:

1. Анализ существующих решений в области автоматизации уборки улиц

2. Анализ преимуществ и недостатков робота уборщика улиц.

3. Выбор задач для робота уборщика улиц.

4. Анализ доступных конструкторов и их применимость для создания робототехнических систем.

5. Проектирование и сборка.

6. Тестирование.

Гипотеза исследования: мы предполагаем, что проблема загрязнения общественных пространств улучшится, если внедрить автоматизированных помощников, способствующих поддержанию чистоты улиц.
Реализация данного проекта позволит не только создать работающий прототип мобильного робота-уборщика, но и выявить возможности для его дальнейшего совершенствования. Важно отметить, что результаты исследования могут быть использованы для разработки более сложных систем, что открывает новые горизонты для автоматизации уборки в городах. В заключение, успешное выполнение поставленных задач будет способствовать повышению эффективности уборки улиц и улучшению экологической среды городской инфраструктуры.

Методы работы:

• Обзор литературы и анализ существующих решений

• Исследование

• Моделирование;

• Экспериментирование

• Программирование

• Робототехника

• Поиск техно-решений

Обзор существующих решений

В современном мире, где урбанизация набирает обороты, а забота об экологии становится всё более приоритетной, проблема поддержания чистоты городских пространств, особенно тротуаров, приобретает особую актуальность. Традиционные методы уборки, полагающиеся на ручной труд, зачастую оказываются неэффективными, затратными и не всегда безопасными. Именно поэтому возрастает интерес к разработке и внедрению автоматизированных решений, способных взять на себя эту задачу.

Рисунок 1.Блок-схема, иллюстрирующая этапы разработки и реализации прототипа робота-уборщика.

Перед тем как перейти к непосредственной разработке нашего робота-уборщика «РУУ», важно провести всесторонний анализ существующих на рынке и в научной среде решений. Этот этап позволит нам понять текущее состояние дел, выявить сильные и слабые стороны существующих систем, а также определить перспективные направления для дальнейших исследований, которые позволят нам создать действительно инновационный и эффективный продукт.

На сегодняшний день в области роботизированной уборки существует целый спектр решений, которые можно условно разделить по нескольким ключевым признакам: конструктивным особенностям, применяемым алгоритмам навигации и особенностям систем сбора мусора.

По конструктивным особенностям, большинство существующих мобильных роботов-уборщиков можно отнести к нескольким основным категориям. Первая – это более крупные, стационарные платформы, часто используемые для уборки больших площадей, таких как парки, промышленные территории или даже дороги. Они, как правило, оснащены мощными очистными механизмами, но их маневренность и способность работать в стесненных условиях, таких как тротуары, ограничены. Вторая категория – это более компактные, маневренные роботы, изначально ориентированные на работу в помещениях (например, роботы-пылесосы), которые в последнее время начинают адаптироваться для уличного использования. Их преимущество – небольшой размер и относительная дешевизна. Однако, для эффективной работы на неровных, неоднородных тротуарных покрытиях, подверженных воздействию погодных условий, им часто не хватает проходимости и надежности. Третья, набирающая популярность категория, основана на использовании модульных конструкторов. Наш проект ориентирован именно на эту третью категорию, так как она открывает широкие возможности для снижения стоимости конечного продукта.

Второй важный аспект – это системы навигации. Современные роботы-уборщики используют различные подходы для ориентации в пространстве. Наиболее распространенные методы включают:

- Алгоритмы, позволяющие роботу одновременно строить карту окружающей среды и определять свое местоположение на этой карте. Это наиболее продвинутый и гибкий метод, обеспечивающий высокую точность навигации, но требующий значительных вычислительных ресурсов и сложных сенсорных систем (лидары, камеры высокого разрешения).

- Использование спутниковых систем для определения местоположения. Этот метод хорошо подходит для открытых пространств, но его точность может снижаться в условиях городской "застройки" (здания, деревья) и полностью бесполезен в закрытых помещениях.

- Определение положения робота на основе анализа последовательности изображений с камер. Этот подход позволяет роботу следовать по определенному маршруту, но может быть чувствителен к изменениям освещения и появлению новых, неожиданных препятствий.

- Основанные на датчиках препятствий. Простейшие методы, при которых робот просто останавливается или меняет направление при обнаружении препятствия с помощью датчиков. Такие системы обеспечивают базовую безопасность, и позволяют роботу эффективно планировать маршрут или выполнять сложные задачи.

Наш проект, стремясь достичь автономности и эффективности в условиях городской среды, будет опираться на комбинацию передовых алгоритмов навигации, адаптированных для работы с доступными сенсорными системами, с акцентом на простоту и масштабируемость, в отличие от дорогостоящих промышленных решений.

Третий ключевой элемент – это системы сбора мусора. Здесь также существует разнообразие подходов:

- Вакуумные системы: По аналогии с бытовыми пылесосами, эти системы создают поток воздуха для всасывания мелкого мусора. Они эффективны для легких частиц, таких как пыль и листья, но могут испытывать трудности с более крупным или влажным мусором.

- Механические щетки и совки: Вращающиеся щетки, сметающие мусор в приемный контейнер, или подвижные совки, поднимающие мусор с поверхности. Эти системы могут быть более универсальны и справляться с различными типами мусора, но требуют более сложной механики и надежности в эксплуатации.

- Комбинированные системы: Сочетание вакуумных и механических элементов для достижения максимальной эффективности.

Большинство промышленных роботов-уборщиков используют сложные, дорогостоящие механизмы, которые могут быть избыточными для нашей цели – сбора мелкого мусора на тротуарах. Наш проект будет стремиться к созданию оптимального, легкого и экономичного решения для этой специфической задачи, что является одним из отличий от существующих дорогих и громоздких аналогов.

Анализируя современные решения, важно выделить их общие преимущества, такие как автоматизация процессов, повышение эффективности и возможность работы в непрерывном режиме. Однако, они также имеют общие недостатки: высокую стоимость, сложность обслуживания, ограниченную проходимость в сложных условиях.

Обзор существующих решений определит нишу для нашего бюджетного робота.

Таблица 1: Сравнительный анализ существующих мобильных роботов-уборщиков.

Название робота	Принцип работы	Навигация	Механизм сбора	Основные ограничения
RoboTide	Автономный сбор мусора	GPS + SLAM	Вакуумный	Высокая стоимость, ограниченная проходимость
LitterRobot	Автоматизированный сбор в заданной зоне	Датчики периметра	Механический захват	Не подходит для мелкого мусора, низкая автономность
CleanSweep	Маршрутная уборка	Лидар + камеры	Всасывающий + щетки	Сложность программирования, зависимость от освещения

 

Таким образом, наш робот «РУУ» будет автономно убирать мусор на городских тротуарах, сочетая доступную аппаратную платформу с оптимизированными алгоритмами и механизмом сбора.

Выбор конструкторов и их применимость для создания робота

 

Для реализации проекта по созданию прототипа робота-уборщика на выбор конструктора является одним из ключевых этапов, определяющих функциональность, надежность и прототипа робота «РУУ». Исходя из задач проекта, который нацелен на разработку доступного и эффективного робота для автономной навигации и сбора мусора на улицах города, требуется тщательно подобрать основу.

Рисунок 2. Требование к программному обеспечению конструктора.

Исходя, из наших предпочтений мы выбрали два вида конструктора: LEGO Education WeDo 2.0 – универсальный образовательный конструктор и Конструктор CUBROID Coding Block.

Рассмотрели возможности каждого конструктора:

Рисунок 3 Преимущества конструктора CUBROID Coding Block.

Модули в составе набора: 1. Двигатель постоянного тока 2 шт. (DC Motor) / Светодиодный блок (Led Block). 2. Датчик цвета (Light Block) / Датчик касания (Touch sensor Block). 3. Звуковой блок (Sound Block) / Датчик приближения (Proximity Sensor Block). Еще одно преимущество Cubroid – выбор простых и удобных способов программирования: используя приложение Cubroid Coding под смартфон или планшет для программирования действий робота.

Особенности конструктора LEGO WeDo 2.0 в том, что связь конструктора с компьютером поддерживается через Bluetooth. В него водят СмартХаб (микрокомпьютер) Микропроцессор, который контролирует работу моторов и датчиков. К компьютеру или планшету подключается по Bluеtooth. Питается батарейками типа АА или аккумулятором. Средний мотор. Нужен для того, чтобы сконструированный робот мог двигаться. Мотор можно запускать в любом направлении, увеличивать и уменьшать скорость, а также можно запустить его на определённый срок, указав точно время в секундах. Мотор обеспечивает динамичность и маневренность созданного робота. Непосредственно на самом моторе имеются точки крепления, чтобы соединяться с другими деталями и элементами. Датчик наклона. Определяет типы перемещения робота в пространстве: наклон в одну, или в другую сторону, перемещение вниз или вверх, отсутствие движения, наклон в любую сторону. Датчик движения. Способен обнаруживать движение объектов в пределах 15 см. Датчик распознаёт приближающиеся и удаляющиеся объекты, а также измеряет расстояние до источника движения. Преимущества данных конструкторов в том что не используется интернет.

Обоснование выбора модулей и компонентов для робота «РУУ»

Для создания роботизированного уборщика улиц, способного обеспечить оптимальное качество и скорость уборки, необходимо учитывать комплекс технических и программных решений. Основными задачами являются автоматизация процесса сбора мусора, адаптация к различным условиям городской среды и обеспечение высокой производительности при минимальном энергопотреблении.

На начальном этапе проектирования системы сбора мусора был проведен анализ требований, обусловленных спецификой задачи. Робот предназначен для сбора мелкого мусора, такого как листья, мелкие пластиковые отходы и песок, а также более крупный мусор. Это означает, что механизм должен быть способен подхватывать частицы различной формы, размера и плотности. Важнейшим аспектом является его эффективность при работе на неровных поверхностях тротуаров, что требует определенной гибкости и адаптивности конструкции.

Таблица 2. Устройства для робота «РУУ»

Наименование устройства	Заданная функция	Вид конструктора	Программное обеспечение
Платформа, оснащенная двумя моторами и датчиком звука и датчиком касания.	Движение, при обнаружении препятствия издает звуковой сигнал и останавливается	Cubroid	приложение Cubroid, смартфон
Автоматизированное устройство для сбора и переработки мусора	Собирает и перерабатывает мусор	LEGO WeDo 2.0	Приложение LEGO WeDo 2.0, ПК
Щипцы для сбора крупного мусора	Собирает и поднимает крупный мусор	LEGO WeDo 2.0	Приложение LEGO WeDo 2.0, ПК
Устройство для обнаружения мусора с фотокамерой	Обнаруживает мусор, видео фиксация	LEGO WeDo 2.0	Приложение LEGO WeDo 2.0, ПК
Щетки для подметания и одновременное всасывание собранных материалов.	Подметает и всасывает мусор	LEGO WeDo 2.0	Приложение LEGO WeDo 2.0, ПК

Таким образом, робот «РУУ» будет точно перемещаться по заданным траекториям, позволяя механизмам работать наиболее продуктивно, охватывая максимальную площадь и минимизируя пропуски.

Сборка робота «РУУ» и тестирование.

 

Для осуществления создания прототипа робота «РУУ», мы сначала в программе PowerPoin сделали чертёж.

Рисунок 4. Чертёж прототипа робота «РУУ».

Затем приступили к конструированию платформы из конструктора Cubroid (Приложение 1). Установили два мотора, колеса, датчики.

Приступили к конструированию дополнительных механизмов автоматизированное устройство для сбора и переработки мусора, щипцы для сбора крупного мусора, устройство для обнаружения мусора с фотокамерой, щетки для подметания и всасывание мусора из конструктора LEGO WeDo 2.0. (Приложение 2).

Установили на платформу и запрограммировали ( Приложение 3).

Тестирование прототипа позволило не только продемонстрировать его работоспособность. Полученный результат подтверждают потенциал роботизированной уборки в контексте поддержания чистоты городской среды, демонстрируя эффективность по сравнению с традиционными методами.

Заключение

В рамках данного проекта была проведена комплексная работа по разработке и реализации мобильного робота-уборщика «РУУ», предназначенного для сбора мусора на улице. Успешно реализована задача по созданию автономного устройства, способного к навигации в городской среде и эффективному сбору загрязняющих частиц. Была успешно спроектирована и интегрирована система сбора и переработки мусора. Механизм разработан с учетом необходимости эффективного захвата и удержания различных типов загрязняющих частиц, характерных для улиц. Программное обеспечение робота, объединяющее управление движением, навигацией и механизмом сбора, было тщательно протестировано и оптимизировано.
 

Основная цель проекта – создание доступной и функциональной альтернативы существующим, зачастую дорогостоящим и громоздким, системам автоматизированной уборки – достигнута.

Перспективы дальнейшего развития проекта возможность применения разработанного робота может быть расширено от обслуживания улиц до использования на территории парков, скверов и других общественных пространств, что внесет значительный вклад в повышение уровня чистоты и комфорта городской среды.

 

Библиографический список

1. Козырев, А. Г. Мобильные роботы: функции и системы [Электронный ресурс] / А. Г. Козырев. — Москва: Российский государственный университет, 2022. — URL: http://example.com/robotics (дата обращения: 29.10.2025).

2. Попов, В. Прототип системы роботов-дворников [Электронный ресурс] / Виталий Попов ; Московский авиационный институт. — Москва, 2025. — URL: https://mai.ru/press/news/detail.php?ID=184322 (дата обращения: 9.10.2025).

3. Кирюшин, А. Роботы для уборки городской территории [Электронный ресурс] / Артем Кирюшин ; МАИ. — Москва, 2025. — URL: https://mai.ru/press/news/detail.php?ID=178430 (дата обращения: 2.11.2025).

4. Борислав. Исследование методов SLAM для навигации мобильного робота [Электронный ресурс] / Борислав. — Хабр, 2025. — URL: https://habr.com/ru/articles/560856 (дата обращения: 2.11.2025).

5. Бурмистров, С. Использование лидара для автономных роботов [Электронный ресурс] / Степан Бурмистров. — Хабр, 2025. — URL: https://habr.com/ru/articles/889524 (дата обращения: 29.11.2025).

6. Казанцев, А. Так ли умны роботы-пылесосы? Рассматриваем датчики для навигации [Электронный ресурс] / Александр Казанцев. — Хабр, 2021. — URL: https://habr.com/ru/articles/587580 (дата обращения: 24.11.2025).

7. Иванов, С. Введение в робототехнику: основы и технологии. — Москва: Наука, 2023. — 400 с.

 

Полный текст статьи см. в приложении.