Модернизация робота — чистильщика аквариумов (MOAI) с применением композиционных материалов и технологии беспроводной зарядки



В статье даны предложения по совершенствованию робота для очистки аквариумов с использованием современных композиционных материалов и набирающей популярность технологией беспроводной зарядки. Предложенные модернизации позволят данному роботу не только чистить аквариум от водорослей, а также производить дезинфекцию внутренней поверхности стенки аквариума. Также автором рассмотрены тенденции развития роботов по концепции универсальности и приведены примеры возможных модернизаций для реализации этой концепции на примере данного робота.

Ключевые слова: робот, композиционные материалы, беспроводная зарядка, Qi, концепция универсальности.

В современном мире исследования в области робототехники являются актуальными. Создание новых и усовершенствование действующих технологий, рост механизации и автоматизации производства позволяет назвать 21 век «веком научно-технического прогресса», в частности робототехника является концентратором инновационных технологий и новых материалов. В настоящее время идет внедрение роботов во все сферы жизнедеятельности человека, в частности в данной статье предложены модернизации бытового сервисного робота. Ключевыми трендами развития домашних роботов в настоящее время являются: создание нового программного обеспечения, возможность управления домашними роботами через смартфон, универсальность и многозадачность, а также оснащение их искусственным интеллектом.

На основании вышесказанного сформировалась цель работы: модернизация сервисного домашнего робота, для которой будут привлечены инновационные материалы и технологии, а также повышение универсальности робота путем добавления определенных функций.

Поставленная цель определила следующие основные задачи данного исследования:

1. Провести аналитический анализ литературы по данной проблеме;
2. Применить усовершенствования к роботу MOAI;
3. Рассмотреть технические характеристики и функциональные возможности усовершенствованного робота.

Прежде чем рассматривать предложенные модернизации, необходимо рассмотреть робота, подлежащего усовершенствованию. MOAI — это роботизированное устройство, прибор для очистки стекол и предотвращения роста водорослей на стенках аквариума, внешний вид представлен на рисунке 1.

Подготовить такой прибор к работе довольно просто: для этого необходимо поместить его на поверхность аквариума, после чего оба блока плотно скрепляются вместе с помощью магнитного притяжения, таким образом, он сразу же готов к использованию.

Рис. 1. Внешний вид робота

Владелец аквариума просто включает MOAI, всю остальную работу он делает самостоятельно. Качество очистки можно смело назвать превосходным, ведь устройство автоматически определяет нужную площадь для работы, при этом, не пропуская ни одного угла и участка. Во время простоя робот базируется на док-станции, что способствует полностью автономной работе и отсутствию необходимости заряжать робота вручную.

Другая функция робота — возможность транслировать происходящее в аквариуме через Full HD-камеру, подключаясь к интернету по Wi-Fi. Угол обзора MOAI составляет 120 градусов, что позволяет во всей красе рассмотреть жизнь подводного мира. Если этого будет недостаточно, то робота всегда можно передвинуть, управляя им из приложения.

Возможность управления роботом через смартфон соответствует трендам развития домашних роботов, однако для воплощения многозадачности и превращения робота — чистильщика аквариумов в робототехнический комплекс по уходу за аквариумом понадобятся дополнительные функции.

Для расширения функционала робота имеет смысл добавить устройство для кормления. Так как док-станция располагается выше уровня воды (см. рисунок 1), то на уровне док станции, с помощью крепления, перекидывающегося через верхний край аквариума, или с помощью электромагнита (в случае аквариумов с закрытым верхом) можно закрепить устройство, которое бы выдавало порцию корма через определенные промежутки времени, которые также настраиваются через приложение. Для простоты работы, кормушка делается в виде барабана, разделенного на секторы, один из которых не имеет стенки (данный сектор направлен вниз к воде), тем самым при перемещении секторов с кормом, к участку стенки с отверстием корм высыпается вниз. Схема барабана изображена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема барабана

Для приведения данной конструкции в движение достаточно одного сервопривода, в качестве которого может быть выбран микросервопривод FS90, имеющий малые габариты 23,2×12,5×22 мм, с диапазоном вращения 360°, способный поворачиваться на заданный угол и удерживать его.

Помимо механической очистки стенки от водорослей, большую пользу принесет функция очистки поверхности от бактерий. Так как помимо стекла бактерии могут образовываться на скребке, то для пассивной очистки от бактерий можно применить для внутреннего скребка композитные материалы, воздействие которых на микроорганизмы оценили О. А. Кротикова, А. С. Озерин, Ф. С. Радченко, О. В. Колотова — материалы на основе полиэтиленимина (ПЭИ) и наноразмерных частиц иодида серебра. [3]. Активность композита ПЭИ — AgI приблизительно на 20 % выше чем фармацевтического препарата «Сиалор» (гигиеническое средство для местного применения).

Для активной очистки стекла от бактерий необходима ультрафиолетовая (УФ) лампа. УФ лампа располагается на внутреннем скребке по направлению к стеклу, в герметичной защите. В качестве активного дезинфектора может быть выбрана бактерицидная лампа Philips TUV PL-S 5W/2P 1CT, которая производит коротковолновое ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) с пиковым значением на длине волны 253,7 нм, что оказывает бактерицидное действие. Лампа имеет малые размеры: габаритная длина — 105мм, диаметр колбы — 13мм, что удовлетворяет габаритам внутреннего скребка. Мощность лампы 5,5 Вт. Для питания лампы применяется сборка из маленьких единичных литиевых элементов, чтобы получить батарею с требуемым напряжением элементы соединяют в последовательном порядке и комплектуют зарядным устройством и контроллером в одном корпусе — данный тип батарей является стандартным для автономного питания потребителей небольшой мощности.

Для заряда батареи используется беспроводная зарядка по стандарту Qi. Это стандарт, разработанный Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (WirelessPowerConsortium, WPC) для индукционной передачи энергии. Аппаратура Qi включает в себя пластину передатчика и совместимый приёмник в подключаемом устройстве. Зарядка происходит посредством индукционной передачи энергии как, например, в трансформаторах. Устройства стандарта Qi используют электромагнитную индукцию между двумя плоскими катушками. Одна из них является передатчиком и подключается к источнику энергии, а вторая находится внутри заряжаемого устройства и является приёмником. Связь между катушками осуществляется следующим образом (схема связи показана на рисунке 3):

Рис. 3. Система связи беспроводной зарядки Qi

‒ Приемник в мобильном устройстве модулирует нагрузку путем переключения конденсатора модуляции (C_m).

‒ Передатчик в базовой станции демодулирует отраженную нагрузку путем измерения тока первичной катушки (I_P) или напряжения первичной катушки (V_P)

Зарядка будет осуществляться во время простоя робота на док-станции, в которой будет находиться базовая индукционная катушка (передатчик), соответственно катушка-приемник находится внутри скребка с УФ лампой. Для зарядки аккумулятора небольшой УФ лампы достаточно будет Qi-набора с выходом 5 V/1 A, в качестве такого набора можно выбрать 800123001 QI Wireless 5 V/1 A ChargingKit.

Научная новизна:

1. В конструкции робота применены новые композиционные материалы;
2. Для усовершенствований применена перспективная технология беспроводной зарядки по стандарту Qi.
3. Данные усовершенствования ранее представлены не были.

Практическая ценность заключается в следующем: так как на рынке сервисных домашних роботов в настоящее время есть только два робота — чистильщика аквариумов (второй робот — robosnail обладает тем же функционалом за исключением управления по мобильному приложению и наличия камеры), то данные улучшения могут дать развитие целому подвиду домашних унифицированных робототехнических комплексов по уходу за аквариумом.

Литература:

1. Поезжаева Е. В.// Концепции развития робототехники / Е. В. Поезжаева.- Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017- 437с.
2. Поезжаева Е. В.// Промышленные роботы: учеб.пособие: в 3 ч./ Е. В. Поезжаева.- Пермь: Изд-во Перм. Гос. техн. ун-та, 2009.- Ч.2. -185с.
3. Композиты на основе полиэтиленимина и наноразмерных частиц иодида серебра с антибактериальными свойствами / Кротикова О. А., Озерин А. С., Радченко Ф. С., Колотова О. В. // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. — Волгоград, 2017. — № 3 (198). — С. 45–49.
4. Оуэн, Бишоп.// Настольная книга разработчика роботов / Бишоп. Оуэн. –: МК-Пресс, 2010. — 400 c.
5. Патент: беспроводная индуктивная передача мощности/ URL: http://www.findpatent.ru/patent/262/2627681.html
6. MOAI the robot for you aquarium/ URL: https://www.kickstarter.com/projects/moai/moai-robot-for-your-aquarium
7. The world's first automatic aquarium glass cleaner, RoboSnail/ URL: http://www.robosnail.com/