IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СОЗДАНИЕ РОБОТИЗИРОВАННОЙ РУКИ
Селиверстов Д.С.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Однажды в витрине детского магазина я увидел как роборука перемещала различные предметы. Ее действие завораживало прохожих. Точными движениями робот брал предметы, поднимал их и ставил в отмеченное место. Каждый ребенок мечтает о такой оригинальной игрушке, но стоит она достаточно дорого, около десяти тысяч рублей. Тогда то я и решил построить самостоятельно собственную робота-руку.

Общеизвестный факт, что в настоящее время роботы могут выполнять за человека различные виды работ, полностью или частично заменить человеческий труд. Роботы способны заменить человека в самых различных средах, будь то промышленная, военная, медицинская индустрия и прочее. Эти машины неприхотливы к условиям труда, им не нужно платить заработную плату, они могут работать без перерывов и отпусков, так же способны выполнять рутинную работу.

Актуальность данной темы состоит в том, что самостоятельное создание робота дома позволяет детально изучить состав, структуру, алгоритм действий существующих моделей роботов, опробовать их в бытовых условиях. Это не только познавательно, так как требует изучение физики (раздел гидравлика и механика), но и способствует развитию логического мышления.

Цель моей проектной деятельности – создание гидравлической роборуки, способной перемещаться по горизонтали и по вертикали, вращаться вокруг своей оси.

От сюда вытекают и задачи, которые я поставил перед собой:

  1. изучить научную литературу по данной проблеме;

  2. проанализировать существующие системы управления робо-рукой;

  3. найти подходящий материал и опциональные детали для создания робо-руки;

  4. самостоятельно изготовить модель робо-руки;

  5. оценить ее функциональность и экономичность;6. дать практические рекомендации учащимся школы по созданию робо-руки в домашних условиях.

Гипотеза: роборука может выполнять заданные движения.

Объект исследования – существующие модели роботизированной руки.

Предмет исследования – создание роботизированной руки из подручных материалов в быту и ее апробация в действии.

Методы исследования:

  1. работа с литературой;

  2. поиск информации во всемирной сети Интернет;

  3. практические методы: сравнительный анализ, моделирование, эксперимент, тестирование.

Глава 1. Теоретические основы изучения роботизированной руки.
  1.  
    1. Основные модели роботизированной руки.

  1. Существует два основных подхода к вопросу о создании роботизированной руки. Можно создать роботизированную руку с простыми прямолинейными движениями, имеющую два или три пальца для захвата большинства предметов. Или достаточно сложную, со всеми пятью пальцами, предназначенную для полной имитации человеческих рук, прошедших миллионы лет эволюции. Такой вид руки уже удалось разработать, однако строение руки имеет ряд существенных недостатков. Из-за сложного строения настоящей человеческой руки, биометрические антропоморфные руки неизбежно сопряжены с большим количеством проблем: нужно заставить их работать определенным образом и сохранить форму человеческой руки. Традиционный подход к проектированию антропоморфной робототехнической руки предполагает механизацию биологических частей с использованием шарниров, тяг, подвесов для значительного упрощения. Этот подход, несомненно, полезен для понимания и аппроксимации кинематики человеческой руки в целом, но неизбежно вносит диссонанс между роботизированной и человеческой рукой, так как большинство важных биомеханических особенностей человеческой руки не принимаются во внимание в процессе механизации. Присущее несоответствие между механизмами роботизированной руки и биомеханикой руки человека, по сути, мешает нам использовать естественные движения руки, чтобы управлять напрямую. Таким образом, в настоящее время нет ни одной антропоморфной роботизированной руки, которую можно в полной мере сравнить с человеческой.

  2. Так называемые “подприводные” (underactuated) руки – это альтернативный подход к роботизированной манипуляции предметами. Их так называют потому, что в них используется меньше двигателей, чем суставов. Они используют пружины или другие механические связи, чтобы соединить твердые детали (такие как фаланги пальца) и “соединить” в единое целое их движения. Тщательная конструкция этих связей может позволить руке автоматически приспосабливаться к различным формам. Это означает, что пальцы могут, например, “обернуться” вокруг предмета без необходимости активного тактильного контроля.

  3. Перед тем, как начать делать своего робота, я озадачился вопросом: а какого именно робота я хочу сделать? Я начал анализировать типы роботов: робота-андройда я не мог создать по нескольким причинам: у этого робота много подвижных деталей, сложно сделать каркас и трудно повторить внешний вид человека. Так же андроид сложен в управлении и потребляет много энергии.Медицинский робот сложен в создании и очень чувствителен в управлении, тем более, самодельный робот вряд ли сможет кому-нибудь помочь, а может даже наоборот. Бытового робота я не стал создавать по простой причине: а что он будет делать? Смысл его создания? Для того, чтобы бытовой робот был полезен, ему нужно множество опциональных деталей, которых я не имею.Боевого робота и робота для обеспечения безопасности я не стал создавать из-за сложности создания, без надобности, опасности и отсутствием опциональных деталей.

  4. Идеальным вариантом стал промышленный робот: легок в управлении, легко создать каркас и подобрать опциональные детали, но промышленные роботы обычно крупногабаритные, поэтому я решил сделать уменьшенную копию промышленной роборуки.

  5. Подходящим материалом для создания роборуки в домашних условиях является обычный картон от коробки игрушки. Плюсы картона: легкость, возможность построить практически любую фигуру и детали. Минусы: картон легко гнётся. Далее необходимо определиться с источниками движения.

  1.  
    1. Исследование механизмов движения роботизированной руки.

Перемещение звеньев роботизированной руки обеспечивают так называемые приводы - аналоги мускулов в руке человека. Приводы являются источниками механической энергии, нужной для движения. Если источником механической энергии служит электродвигатель, то привод называют электрическим, если таким источником является гидро- или пневмоцилиндр, то привод называют гидравлическим или пневматическим.

В электропривод, кроме электродвигателя, входят еще редуктор, который снижает число оборотов электродвигателя и увеличивает усилие, действующее на роборуку, и электронная схема управления, которая регулирует скорость вращения электродвигателя. Этот способ приведения в действие манипулятора обладает рядом достоинств: не загрязняет окружающую среду отработанным газом или маслом, относительно малошумен; к тому же современные полупроводниковые схемы управления дешевы и надежны в работе. Все эти качества делают электропривод наиболее перспективным как в настоящем, так и в будущем.

В гидравлическом приводе используется гидроцилиндр. Данный привод сообщает руке робота возвратно-поступательное движение. Принцип его действия следующий. В цилиндр, в котором находится поршень, соединенный с помощью штока с моделью роборуки, поступает под давлением жидкость (отсюда название - гидроцилиндр); она-то и заставляет передвигаться поршень, а вместе с ним руку робота. Направление этого движения определяется тем, в какую часть цилиндра (в пространство над поршнем или под ним) нагнетается в данный момент жидкость.

Гидроцилиндр может сообщать роборуке и вращательное движение. В зависимости от вида соединения гидроцилиндра со звеном руки робота, роборука может производить возвратно-поступательное перемещение штока гидроцилиндра, что вызовет поворот соединенного с ним звена относительно предыдущего в ту или другую сторону.

Гидравлический привод имеет свои преимущества. Прежде всего это сравнительно небольшая масса привода, приходящаяся на единицу его мощности, малая инерционность, высокое быстродействие. Важное свойство гидропривода - возможность получения с его помощью малой скорости движения без редуктора и при сохранении плавности перемещения. Благодаря этим качествам гидропривод получил широкое распространение в мощных промышленных и других роботах.

Пневматический привод аналогичен гидравлическому; в нем роль двигателя выполняет пневмоцилиндр, т. е. цилиндр, в котором поршень перемещается под действием сжатого воздуха. Особенностью пневмопривода является то, что используемое в нем рабочее вещество - воздух - легко сжимается, тогда как в гидроцилиндре жидкость практически несжимаема. Вследствие этого пневмопривод целесообразен лишь для роботов, производящих операции с мелкими и легкими деталями, например, в технологических процессах приборостроения, часовой промышленности и прочее. Другая причина, сдерживающая применение роботов с пневмоприводом в цехах заводов,- шум, которым сопровождается выброс из пневмоцилиндра отработавшего воздуха. Поэтому в помещениях, где работают люди, нужна специальная дорогостоящая акустическая защита.

Основываясь на вышеизложенном, можно сделать следующее заключение. Привод, являясь мускулом роборуки, приводящим ее в движение, во многом определяет, каков снабженный этим приводом робот: насколько он силен (какова его грузоподъемность), ловок (как точно он может выполнить заданное действие), быстр (сколько ему надо на это времени) и другое, т. е. определяет, несомненно, очень важные характеристики робота.

Исходя из поставленной задачи исследования, подходящим механизмом движения для создания роборуки был выбран гидравлический привод. Плюсы картона: легкость в обращении, возможность задать роборуке необходимые направления движения, доступность материала, минимальные финансовые затраты и простота изготовления.

  1. Глава 2. Описание процесса создания роботизированной руки

2.1. Выбор материалов и определение карты исследовательской работы.

В соответствии с поставленной целью исследования и проведенным выше анализом видов роборуки и механизмов ее движения, в своей проектной деятельности я буду создавать гидравлическую роборуку, способную производить действия по горизонтали и по вертикали, а также перемещать предметы. Корпус роборуки будет выполнен из картона, а механизм движения из медицинских шприцов и системы от капельницы. Все материалы доступны в домашних условиях и низкозатратны. Управление роборуки будет происходить с помощью регулировки уровня жидкости шприцевыми поршнями, что даст способность обеспечить роборуке подвижность и гибкость.

Список материалов, необходимых для изготовления роборуки:

- картон шириной 5 мм;

- 5 шприцов на 10 кубов;- система от капельницы;

- пластиковые детали от конструктора ЛЕГО;

- использованная пальчиковая батарейка;

- изолента и клей;

- цветная жидкость (вода с пищевыми красителями);

- ножницы.

Аналитическая карта исследовательской работы:

  1. Разработать технологическую карту изделия, шаблоны деталей;

  2. Вырезать детали по шаблонам и подготовить дополнительные расходные материалы;

  3. Соединить детали и наладить работу шприцов;

  4. Проверить работоспособность прибора.

2.2. Описание процесса создания роборуки.

Для того, чтобы сделать основу из картона, вам понадобятся ножницы, изолента, линейка и клей. Также понадобится вода в качестве гидравлической жидкости. Если ее окрасить пищевыми красителями, то конструкция будет выглядеть ярко. Также в конструкции используются детали из конструктора ЛЕГО для стяжки деталей. Шприцы и система от капельницы обеспечит создание гидравлического механизма. Гидравлическая рука будет работать, как настоящий гидравлический подъемник. Можно будет перенести небольшой груз. Также можно будет двигать роборукой вокруг своей оси. Это качество полезно в использовании.

Ход работы:

№ п/п

Операции

Инструменты

1.

2

3

4

5

6

7

8

Составление чертежа изделия и изготовление деталей роборуки из картона по чертежу

Соединение деталей болтом, шайбами и гайкой из конструктора ЛЕГО.

Соединения должны быть подвижными, для оси используются детали из ЛЕГО

Детали не должны соприкасаться друг с другом, чтобы обеспечить движение роборуки.

Делаем основание для роборуки из картона и использованной батарейки. Батарейку вклеиваем для надежности конструкции. Всё это необходимо, чтобы рука могла поворачиваться. Батарейка является идеальной осью для этого. С помощью такого отверстия можно всё закрепить.

Присоединяем заготовки роборуки к основанию через пропилы и приклееваем клеем.

Теперь надо сделать силовую систему. Для неё нужны шприцы. Размещаем шприц между деталями роборуки, закрепляем изолентой. Если просто приклеить шприц и поднимать звено гидравлической руки, то она развалится под своей силой.

Усиливаем основание, чтобы роборука могла подниматься и опускаться, а также крутиться вокруг своей оси.

Проверяем подвижность роборуки по направлению вверх и вниз при помощи шприцов. Регулируем гидравлику роборуки.

Проверяем созданную конструкцию в работе. При размещении шприцов у основания, конструкция получает возможность делать круговые движения.

Картон, линейка, карандаш, острый нож

Болт,гайка,шайбы,отвертка,шило

Батарейка, клей, картон, ножницы

Линейка,картонклей, скобы степлера

Шприцы, система капельницы, изолента, резинка

Картон, скобы степлера, болт, шайба из ЛЕГО.

Шприцы, система капельницы, изолента

В результате проведенных работ я создал роборуку со следующими характеристиками:

  • Высота: 500мм;

  • Рабочая зона (при полностью вытянутом манипуляторе): от 200мм до 500мм вокруг основания;

  • Потребляемый объем жидкости 10мл.

В готовом состоянии рука сможет вращаться на 360 градусов в горизонтальной и вертикальной плоскости, подниматься и опускаться. Конструкцию можно использовать в игровых целях для борьбы роборук при изготовлении других аналогов. При помещении конструкции на колеса роборука может двигаться в заданном направлении.

Полученная конструкция роборуки имеет массу преимуществ перед многими моделями, которые сейчас есть в продаже:

  1. Подвижность и высокая маневренность конструкции.

  2. Легкость в создании в связи с простотой конструкции.

  3. Высокая функциональность – может использоваться в различных целях (как захватчик деталей, как робот-боец, как робот-машина).

  4. Экономичность конструкции – использовались материалы, имеющиеся в наличии дома.

  5. Открытость проекта. Любой желающий может сделать свои инструменты. Например, присоску или зажим для карандаша. Если добавить цветную жидкость, роборука приобретет праздничный вид.

Себестоимость полученной роборуки составляет 200 рублей.

Заключение

В результате выполнения работы, я выяснил:

  1. Создать функциональную роботизированную руку можно из имеющегося дома материалов.

  2. Самостоятельное создание модели роботизированной руки позволяет на практике изучить основные принципы гидравлики на примере гидравлического привода.

  3. Созданная конструкция имеет низкую себестоимость, соответственно, экономически выгодна.

  4. Роборука отвечает требованиям природоохранной деятельности (создана из вторичного сырья).

Считаю полезным произведенные исследования и считаю нужным ознакомить учащихся школы с данной работой.

Список литературы
  1. Корендясев А.И. «Теоретические основы робототехники.» Издательство М.: Наука, 2006 г.;

  2. Копосов Д.Г. «Первый шаг в робототехнику. Практикум для 5-6 классов» Издательство Бином. Лаборатория знаний, 2015г.;

  3. Мамичев Д.И. «Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника» Издательство: Солон-пресс, 2016 г.;

  4. Филиппов С.А. «Уроки робототехники. Конструкция. Движение.Управление.» Издательство: Лаборатория знаний, 2017г.;

  5. Юревич Е.И. «Основы робототехники. Учебное пособие» Издательство: BHV, 2016 г.