XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Механизм адаптивной подстройки высоты ученической парты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
АННОТАЦИЯ
Предлагаемый проект содержит описание создания механизма регулирования высоты парты школьника на базе электронного конструктора Arduino (Ардуино) (Приложение Г).
Известный факт, что неправильная осанка, сутулость присуща практически всем школьникам. Проблемы с позвоночником приводят к быстрой утомляемости, нарушению дыхания, развитию сколиоза, появлению головных болей. Также искривление позвоночника приводит к деформации внутренних органов и появлению межпозвоночной грыжи. Чтобы этого избежать следует уже с пяти лет формировать у ребенка правильную осанку. Первое, что нужно сделать – правильно организовать рабочее место, что предполагает правильный подбор мебели, а также приведение в соответствии с гигиеническими нормативами параметров освещения и микроклимата.
Во многих школах до сих пор установлены однотипные парты, которые не рассчитаны на возрастные особенности школьников. В одних и тех же кабинетах с одинаковой мебелью занимаются пяти- и десятиклассники. Очевидно, что для поддержания здоровья школьников благоприятно оснащать классы растущими партами.
Так, используя возможности конструктора, я разработал механизм индивидуальной подстройки высоты столешницы ученической парты.
Учитывая различия в возрасте моих одноклассников, а также медицинские показания для занятий стоя (при травмах позвоночника), я посчитал что регулировка высоты столешницы создаст более комфортные условия для занятий и окажет здоровьесберегающий эффект.
В рамках данного проекта я изучил работу компонентов электронного конструктора Ардуино, их совместимость, принципы программирования. Проект также помог мне понять некоторые физические закономерности.
ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ ПРОЕКТА
ВЫБОР ИДЕИ ПРОЕКТА
В современных условиях всевозрастающей нагрузки на детей, когда уже со старшей группы детского сада дети все больше времени проводят сидя, выполняя домашние задания, вопрос организации рабочего пространства становится действительно важным, ведь чем дольше дети сидят в неудобной позе - тем быстрее устают.
И действительно, по данным статистики, на сегодняшний день у 7- 8 детей из 10 наблюдается нарушение осанки, с рядом сопутствующих патологий. При неправильной посадке страдает не только позвоночник, но и зрение.
Приходя в школу, первоклассник садится за парту, разработанную по государственным стандартам (ГОСТ 22046-2016) [5], тем не менее, следует учитывать изменчивость детского организма, его гетерохронность и гетеросенситивность. Ученик не может комфортно расположиться за стандартизованной партой, и, как следствие, быстро утомляется и получает проблемы со здоровьем. Основным минусом стандартизованной парты является невозможность ее регулировки по мере роста школьника и, соответственно, невозможность обеспечения равномерного распределения нагрузки на детский позвоночник, что в большинстве случаев приводит к развитию сколиотической осанки, и, при отсутствии коррекции, к возникновению сколиоза.
Гармоничное расположение ребенка за партой предполагает следующие принципы:
Спина прямая, поверхность стола на уровне локтей;
Стул необходимо ставить так, чтобы его край заходил за крышку стола на 2—4 см;
Высота стула подбирается таким образом, чтобы колени были согнуты под углом 90 градусов. Угол сгибания в тазобедренных суставах также равен 90 градусов;
Удобно должен быть расположен источник света;
Ступни находятся на полу;
Обе стопы должны стоять на полу так, чтобы голени были расположены под прямым углом к бедрам. При такой посадке тело имеет достаточно точек и площадей опоры, не наступает утомления от статического напряжения и снижается риск искривления позвоночника [3, 5].
Исходя из этих норм, я предлагаю создать механизм подстройки парты индивидуально для каждого учащегося, исходя из физиологических особенностей ребенка и рекомендации врачей. Суть механизма заключается в том, что каждый ученик имеет личную электронную карту – носитель информации с соматометрическими параметрами (длина тела, спины, голени и др.), рекомендациями ортопеда, офтальмолога. Считав информацию с помощью устройства, закрепленного на парте, устанавливается расчетная высота столешницы, угол ее наклона, подставка для ног согласно физиологическим особенностями ученика.
Ранее, в четвертом классе я работал над проектом «Умная кабинка» с использованием NFC карты (открытие и закрытие кабинки школьника для переодевания с помощью считывателя карт). И я планировал далее развивать тему личной карты школьника (NFC модуль), при помощи которой можно рассчитываться в столовой за обеды, брать книги в школьной библиотеке (замена читательского билета), пройти турникет на входе в школу и, в том числе, отрегулировать параметры письменного стола.
Для создания такого механизма я использовал возможности конструктора Ардуино.
ЦЕЛЬ ПРОЕКТА
Цель проекта: создание рабочего механизма подъема столешницы парты на основе радиотехнического конструктора Ардуино, согласно заданным критериям высоты для комфортного обучения школьников.
ЗАДАЧИ ПРОЕКТА
изучить литературу и интернет ресурсы, касающиеся вопросов востребованности «растущих» парт;
наметить план работы, правильно спланировать рабочее время, позволяющее совместить работу над проектом с учебой;
составить перечень необходимого оборудования для реализации проекта и обеспечить его наличие;
проанализировать эффективность использования тех или иных комплектующих из перечня для достижения поставленной цели;
правильно организовать работу на рабочем месте, соблюдать порядок и организованность;
обеспечить соблюдение техники безопасности при работе с паяльником;
разобраться с принципами работы основных плат микроконтроллера Ардуино, а также плат расширения и датчиков;
освоить навыки написания программ для Ардуино;
научиться рисовать электрические схемы в специализированных программах;
разработать макет умной парты;
совместить устройство с макетом умной парты и отладить все процессы работы механизма;
подготовить презентацию, выступить перед одноклассниками.
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Школьная парта Эрисмана была изобретена в 1870 году. Первый аналог такой мебели появился ещё в эпоху Возрождения, потом он преобразовался в конторку или секретер, а уже позже — в школьную парту.
Знаменитый российско-швейцарский гигиенист Фёдор Фёдорович Эрисман в 28 лет опубликовал свой научный труд «Влияние школ на происхождение близорукости», изучив зависимость появления глазных и телесных заболеваний от неправильного положения ученика за столом. И в итоге он предложил новую мебель. Правильное устройство школьной парты Эрисмана создает хорошие условия ученику для письма, чтения, рисования: она была сделана так, чтобы текст в учебнике или тетради можно было читать только под прямым углом. Поскольку Эрисман долгое время занимался лечением глазных болезней, он учел и оптимальное расстояние для чтения — 30-40 сантиметров. Сидя за партой, сутулиться стало невозможно. По указу Александра II такие парты стали устанавливать во всех школах.
Парта Эрисмана была одноместной. Но позже сосланный в уральскую деревню за участие в революционном движении «Земля и воля» петербургский студент Пётр Феоктистович Коротков усовершенствовал парту Эрисмана, сделав её двухместной и придумав откидную крышку, чтобы детям было удобнее вставать. Поскольку в деревенских школах у учеников не было шкафчиков, Коротков предложил прикрутить к партам крючки для портфелей, а под столешницей сделать полку для учебников. Он также придумал углубления для чернильниц и два желобка для пера и карандаша.
За это Коротков получил серебряную медаль на Урало-Сибирской промышленной выставке 1887 года и диплом об изобретении [4].
В шестидесятые годы изобрели парты в виде столов с отдельно стоящими стульями [4]. Такой вариант организации рабочего место школьника используется до сих пор. Но в последнее время появилось много новых конструкций школьной парты, новые технологии её изготовления, с новыми гигиеническими требованиями, современными формами и материалами изготовления. В русле развития техники сегодня множество изобретений школьных парт с вмонтированными компьютерами (интерактивные парты). И такие современные парты постепенно наполняют школьные классы.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
В основе механизма регулировки высоты ученической парты находится шаговый мотор, подключённый к драйверу управления STEP-DIR. Драйвер управляется микроконтроллером Ардуино. Так же к плате Ардуино подключен концевой выключатель для определения конечной точки положения столешницы и считыватель NFC, который отвечает за работу с меткой NFC. Механизм работает от любого блока питания, который может выдавать напряжение 12 Вольт и ток 1А. (Приложение А, Г).
Принцип работы механизма адаптивной подстройки высоты парты состоит в следующем. Ученик подносит индивидуальную NFC карту к считывателю, расположенному на парте (Приложение В). Микроконтроллер Ардуино идентифицирует карту и подает команду на драйвер шагового двигателя, который приводит в движение вал мотора. А именно, команду опуститься столешнице парты до нижней точки отсчета. В момент касания столешницы кнопки начала движения вверх (кнопка «концевик»), мотор начинает обратное движение и поднимает парту на расчетную высоту (Приложение Б).
СОЗДАНИЕ МАКЕТА АДАПТИВНОГО МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА ПАРТЫ
(ЭЛЕКТРОННАЯ и ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМЫ)
При разработке проекта было использовано программное обеспечение Fritzing (Рисунок 1, 2).
Рис.1. Графическая схема «умной парты».
Рис.2. Принципиальная схема «умной парты».
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Мною были подобраны и приобретены комплектующие, необходимые для реализации задуманного проекта (Таблица 1). Хочу обратить внимание, что все комплектующие можно заменить бюджетными аналогами.
Таблица 1 – Перечень комплектующих, используемых для создания механизма регулировки высоты ученической парты
|
№ |
наименование |
количество |
Цена, руб. |
примечание |
|
1 |
Arduino UNO |
1 |
3110 |
|
|
2 |
Драйвер DRV8825 |
1 |
390 |
|
|
3 |
Шаговый мотор NEMA 17 |
1 |
1870 |
|
|
4 |
Кнопка тактовая |
1 |
7 |
|
|
5 |
Конденсатор 50в 100мкф |
1 |
20 |
|
|
6 |
Провода |
200 |
||
|
7 |
Макетная плата |
|||
|
ИТОГО |
5597руб |
Для масштабирования регулирующих систем (оснащение парты регулировкой наклона столешницы и высоты подножки) необходимы лишь дополнительные шаговые двигатели с драйверами. Количество регулирующих систем ограничено моделью используемого микроконтроллера (для ATMEGA 328P – до шести систем).
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Методы, используемые при изготовлении устройства, позволяют с уверенностью сказать, что готовое изделие не наносит вред окружающей среде и здоровью ребенка. Все этапы работы выполнены согласно правилам техники безопасности. Изделие должно быть использовано по назначению.
При использовании регулятора необходимо уделять внимание правильному использованию ее электронной части, а именно: обезопасить попадание влаги на электронные компоненты плат, соблюдать правильные параметры подачи напряжения и мощности, исключить деформацию корпуса всего механизма, давление на подвижные плоскости при работе мотора.
Основная работа по данному проекту производилась в области электроники, несколько этапов работы связаны с пайкой. Необходимо помнить и соблюдать правила техники безопасности работы с паяльным оборудованием:
работа с паяльным оборудованием должна производиться на специально оборудованном месте и в специальной одежде – халат, перчатки, очки;
электропаяльник и все приспособления должны быть исправны;
заземление должно быть надежным;
остерегаться при пайке брызг расплавленного припоя и не касаться горячих мест руками;
при кратковременных перерывах в работе нагретый паяльник класть на специальную подставку;
при пайке, лужении и работе с кислотами пользоваться резиновыми перчатками и защитными очками;
работать в хорошо проветриваемом помещении с включенной вытяжкой;
быть осторожным с флюсами для паяльных работ. Не проливать их на пол, на стол одежду и обувь;
по окончанию работы убрать рабочее место, положить на установленное место инструменты, приспособления, припои, флюсы.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТА. ВЫВОДЫ.
По итогам работы был спроектирован и опробован механизм подъема столешницы парты школьника. В целом, я остался доволен результатом своей работы. Поставленная цель выполнена. Механизм регулирования высоты ученической парты собран, все функции отлажены и работают.
При разработке теоретической части проекта, нами изначально был использован считыватель карт NFC на базе микросхемы RC522, но при фактической реализации, был приобретён датчик на базе PN532, ввиду его экономического преимущества перед аналогом. Также следует отметить, что изначально проект предполагал использование протокола SPI для работы с датчиком, тем не менее, предпочтение было отдано протоколу I2C, для дальнейшего удешевления и уменьшения размеров готового устройства.
Во время проведения отладочных работ мы столкнулись с проблемой больших потерь мощности на ранее используемом драйвере L293D. В ходе обсуждения проблемы, было принято решение заменить данный драйвер на DRV8825, что потребовало небольшой доработки программного кода. Тем не менее, результаты внесенных изменений превзошли наши ожидания. Ток потребления в покое снизился на 83%, а в рабочем режиме – на 24% без потери мощности.
Задачи, стоявшие перед нами в рамках данного проекта решены почти полностью.
Так, например, задача сконструировать макет стола не была выполнена - пандемия Covid-19 внесла свои коррективы в планы нашей работы, количество очных занятий было сокращено, и получилось отработать только идею подъемного механизма.
Я расширил свои знания в работе с Ардуино. Освоил работу в программе для радиомонтажа Fritzing. В процессе работы над проектом я стал лучше ориентироваться в области схемотехники и программирования, и, что немаловажно, получил практические навыки работы. Кроме того, я очередной раз убедился в важности поддержания осанки и правильной рабочей позы, соблюдения гигиенических нормативов.
В дальнейшем, проект планируется к расширению. Будет представлена полноценная «Умная парта» с регулировкой не только высоты столешницы, но и угла ее наклона и высоты подножки.
Тема проекта актуальна и перспективна благодаря развитию использования современных технологий в сфере образования. Многие школы участвуют в программах «Умная школа», «Безопасная школа» и другие, когда, используя комплекс программных модулей и технических решений, можно автоматизировать различные процессы внутри учебного заведения («Электронная столовая», «Электронная проходная», «Электронный журнал и дневник», «Учет дополнительного образования», «Общественный транспорт» и другие). И проект «Умная парта» может стать частью подобных программ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Российское ардуино-сообщество. – Режим доступа: htpps://arduinomaster.ru
Электроника Arduino, компоненты для робототехники и электронных устройств. – Режим доступа: htpps://smartelements.ru
Портал о здоровом образе жизни. – Режим доступа: https://takzdorovo.ru
Свободная энциклопедия. – Режим доступа: htpps://ru.m.wikipedia.org
База ГОСТ, государственных стандартов. – Режим доступа: htpps://internet-law.ru
Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. – 2-е изд. – Спб: БХВ-Петербург, 2015.
Петин В.А., Биняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino. – М: ДМК Пресс, 2017.
Ревич Юрий. Занимательная электроника. – СПб: БХВ-Петербург, 2015.
Соммер Улли. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduinо. – СПб: БХВ-Петербург, 2012.
Приложение А. Макет механизма адаптивной регулировки высоты ученической парты.
Приложение Б. Шаговый мотор.
Приложение В. Считыватель карт.
Приложение Г. Словарь терминов.
Драйвер двигателя – электронное устройство, предназначенное для коммутации силовой нагрузки (двигателя), слаботочной нагрузкой (микроконтроллер).
Микроконтроллер – устройство, преобразующее сигналы из внешнего мира в электронные импульсы, и наоборот, и использующее их для управления другими устройствами.
Arduino (Ардуино) - торговая марка аппаратно-программных средств для построения и прототипирования простых систем, моделей и экспериментов в области электроники, автоматики, автоматизации процессов и робототехники.
Соматометрические параметры – оценка физического развития человека (рост и длина тела).
Гетерохронность - разновременность, несовпадение во времени фаз развития отдельных органов и функций.
Гетеросенситивность - различная чувствительность (восприимчивость) к воздействиям окружающей среды разных органов и систем организма.