XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

РОБОТИЗИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО «DR. DROP» ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ ПОЖИЛЫХ ЛЮДЕЙ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Волжин А.Е. 1

---

1ЦМИТ Концепт

Качалов С.О. 1

---

1ЦМИТ Концепт

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ.

В основе идеи создания «Doctor art» – острое желание помочь пожилым людям, которые в силу возраста имеют сложности в самостоятельном приеме жидких лекарств. Наблюдая за старшим поколением, мною было замечено, что основной проблемой является точное, капельное дозирование, поскольку не все флаконы оснащены дозаторами, а если человек имеет слабое зрение – ему не под силу самостоятельно отмерить верное количество капель. Большинство мерных стаканчиков имеют почти невидные метки.

Со слов большинства опрошенных человек в возрасте свыше 65 лет и моей бабушки, самой большой проблемой является поиск многочисленных рецептов от врачей, отнимающий много времени и сил. Занимаясь решением проблемы дозирования жидких лекарств для пожилых людей, имеющих возрастные особенности (плохое зрение, слабая память) мною было установлено, что в России, по оценке МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца, количество незрячих людей составляет порядка 100 тысяч. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) на конец 2018 года, в мире с той или иной формой нарушения зрения насчитывается около 1.3 млрд. человек. Прогнозы медиков, увы, неутешительны: количество людей, испытывающих проблемы со зрением, будет расти. Так, эксперты ВОЗ уверены, что к 2020 году число незрячих увеличится до 38.5 млн. человек, а ещё через 30 лет оно превысит отметку уже в 100-110 млн. Россия, по мнению специалистов, входит в число стран, неблагополучных в этом плане. По данным Росстата, в России 13% населения России - люди старшего возраста, старше 65 лети, согласно прогнозам ООН, к 2050 году 22 % населения Земли будет пенсионерами. Развитие медицины позволяет надеяться, что возраст «активной старости» будет повышаться. Автоматизация и роботизация во многих сферах позволяет улучшать физическое состояние И УЛУЧШАТЬ КАЧЕСТВО ЖИЗНИ.

Из полученной информации сделан вывод об актуальности проблемы и необходимости создания роботизированного помощника.

Поставлена цель: разработать и собрать эффективный инструмент помощи пожилым людям с учетом возрастных особенностей, исполняющий функции хранения, распознавания, точного дозирования, напоминания о своевременном приеме жидких лекарственных средств.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.

Сбор информации по проблеме проекта. Новизна работы. Анализ прототипов. Выбор оптимальной идеи.

Я изучил аналоги. В мире существуют компании, производящие системы автоматического дозирования для промышленных нужд в больших объёмах (Eppendorf, ePOOL, OOO «Дозирующие системы», Nordson, ООО «Завод дозировочной техники «Ареопаг» и др.) (Приложение 1, рис.1) вся производимая ими техника создана для промышленных нужд и сельского хозяйства.

Изучив аналоги мною сделан вывод об отсутствии устройства для дозирования жидких лекарств в малых объёмах для домашнего использования.

Понимая специфику проблем, и принимая во внимание отсутствие аналогов подобных устройств, принято решение о создании робот-помощника, решающего основную, пока еще неразрешенную проблему взрослого поколения – безопасной для жизни и здоровья, своевременной роботизированной подачи жидких лекарственных средств.

Для решения поставленной задачи мною были изучены правила хранения лекарственных препаратов в домашней аптечке, согласно которым нужно:

недоступное место для хранения лекарств для детей и домашних животных;

индивидуальные, пластмассовые контейнеры;

соблюдение срока годности лекарств;

соблюдение температурного режима;

защита от прямых солнечных лучей и влаги;

хранение в сухом прохладном месте в плотно закрытом состоянии;

проведение периодической ревизии лекарств.

Мною была установлена возможность хранение большинства лекарств при комнатной температуре до 4 недель, согласно правилам, поскольку большинство препаратов содержат антимикробные консерванты — вспомогательные вещества, обеспечивающие микробиологическую стабильность. Из чего сделан вывод о возможном нахождение средств внутри робота.

Выбор оптимальной идеи. Оригинальность.

Оригинальность моего изобретения заключается в создании робота, выполняющего ряд полезных функций: «умная аптечка» и «умный дозатор». Изучив аналоги, мною установлено, что существуют системы со схожим способом подачи жидких веществ для промышленных нужд. Систем для домашнего использования в их перечне -нет. Так же нет роботов, выполняющих комбинацию предъявленных функции.

Промышленные аппараты не приспособлены для домашнего использования. Они не пригодны для подачи малых объёмов жидких веществ и их стоимость превосходит 1000000 рублей, что является абсолютно неприемлемым и бесполезным, в условиях дома, приобретением.

Таким образом оптимальной идеей является решение разработать и изготовить прототип робота – помощника самостоятельно, из уже имеющихся деталей программируемого конструктора LEGO MINDSTORMS EV3 и деталей набора LEGO TECHNIC, поскольку робототехника – мое хобби. Так же мною принято решение использовать нестандартные материалы: медицинских шприцов, систем переливания крови, баллонов сжатого воздуха, одометры и пр. для решения поставленных задач (приложение 2, рис.3).

Предполагаемая значимость.

Такой робот позволит решить основную, пока еще неразрешенную проблему взрослого поколения – безопасной для жизни и здоровья, своевременной роботизированной подачи жидких лекарственных средств, учитывающий возрастные особенности (слабое зрение или его отсутствие, забывчивость, слабый слух и т.д.). Он способен стать надежным домашним помощником.

Принцип работы прост:

доктор создает электронную карту пациента;

вносит в нее рецепт с названием препаратов, кратности и временем приема, точную дозу лекарств;

заносит рецепт с этапами действий на цветную карту с QR кодом, дублированную шрифтом Брайля;

Карта выдается пациенту на руки вместе с рецептурным бланком.

На этом функции доктора заканчиваются. Дальнейшие действия выполняются пациентом:

пациент (его родственники, помощники, медперсонал и т.д.) приобретает лекарственные средства;

запоминает цветную маркировку карты. Например, красная – лекарства от головной боли.

Устанавливает в корпус робота назначенные врачом препараты;

Пациент подносит к роботу карту с рецептом и получает необходимое лекарство.

Пациенту не нужно заниматься установками и настройками робота. Они выполняются медперсоналом. Не нужно запоминать дозы, время и кратность приема и т.д. Вся информация на карте. Она считывается с QR- кода роботом при поднесении карт автоматически. Благодаря QR коду исключена вероятность возникновения ошибки, влекущей смерть или отравление из-за неверного принятого лекарства. Робот своевременно предупреждает пациента о примем голосом. Ошибка по вине человеческого фактора исключена: программа робота перепроверяет сама себя каждые пять минут. В случае, если пациент по ошибке или забывчивости поднесет карту для получения лекарства дважды – робот проверит получен ли препарат вовремя, и, в случае обнаружения приема, сообщит: «Вы уже приняли лекарство. Следующий прием вечером. Я вам напомню». Для этого установлен таймер приема лекарств, сопровождаемый голосом, позволяющий не пропустить время приема лекарства. Это облегчает использование робота. Рецепт дублирован шрифтом Брайля, что позволяет использовать карты людьми со слабым зрением или его отсутствием.

Более того, одновременно возможно использование нескольких карт с различными рецептами. Корпус робота позволяет вместить одновременно большое количество флаконов. Например, дедушка – зеленая карта (препараты для лечения ЖКТ и т.д.), бабушка – синяя карта (препараты от головной боли и пр.) и т.д.

Очистка системы проводится сжатым воздухом из баллонов под давлением. Помимо удобства использования, пациент чувствует независимость от окружающих. Психологический комфорт очень важен в любом лечении. Это ускоряет выздоровление.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

Технологическая карта.

Продумав все элементы, я приступил к конструированию модели. Я понял, что лекарства будут длительно находиться в контейнерах внутри робота, из чего делаю вывод, что робот способен выполнять функцию «умной аптечки», длительно хранящей и, при необходимости, выдающей лекарства.

Изготовление изделия производилось в порядке согласно технологической карты (приложение 2, рис. 2). В процессе изготовления робота использовались детали и датчики конструктора LEGO MINDSTORMS EV3, среда программирования LEGO MINDSTORMS EV3, среда программирования RANDOM, панели конструктора LEGO TECHNIC, шприцы медицинские, системы внутривенных инъекций, баллоны со сжатым воздухом.

Описание технологии изготовления изделия.

Изготовление робота условно разделено на этапы. Первый этап начался со сборки основы конструкции- рычагов манипулятора. Она выполнена из 5 рам 5*11 – модульных, 5 рам 5*7 –модульных, десяти балок 13-ти модульных, одной балки 11-ти - модульной, соединенных двумя двойными поперечными блоками 3 - модульными, осями 5 – модульными и соединительными штифтами. Семи угловых балок и девять шестеренок. Две большие шестеренки вращают манипулятор. Четыре колеса, служащие опорой для робота. Блок управления опирается на раму. Закреплен штифтами.

На втором этапе были изготовлена и закреплена система клапанов на корпусе, сбор и установка корзины для колб Подведена система трубочек для осуществления дозирования лекарств, закреплена корзина для колб. Ее я собрал из панелей конструктора LEGO TECHNIC. Она закреплена на конструкции соединительными штифтами.

На третьем этапе была изготовлен рычаг подачи жидких средств, прокладка трубочек. Выполнен из двух балок 11-ти модульных, двух балок 3-х модульных, коннектор угловой 1шт, рама 5*7 модульная, одного сервомотора среднего, система внутренних инъекций (капельница) 1 шт.

На четвертом этапе была собрана основная часть, установлены программные модули. Она выполнена из 15-ти модульных рам 12 шт., рамы 5*11-ти модульной, 4 балки 15-ти модульных, рамы 5*11-ти модульной, детали LEGO TECHNIC 22 шт., штифты 17 шт., программные модули 2 шт. Затем я установил два больших мотора. Они приведут в движение рычаг. Конструкция позволяет роботу перемещать рычаг влево и вправо. Чтобы картина, которую изготавливает робот выглядела художественно, я принял решение использовать принцип RANDOM при программировании. Это компьютерная программа с использования генератора случайных значений. Таким образом рычаг робота движется в произвольном направлении.

На пятом этапе была собрана дополнительная конструкция для подачи воздуха с целью продувки (очистки) системы. Состоит из балки 11-ти модульных, двух балок 3-х модульных, коннектор угловой 1шт, рама 5*7 модульная, один сервомотор средний, система внутренних инъекций (капельница) 1 шт., двух осей 7-ми модульных. четырех балок 13-ти модульных, баллона с воздухом 2 шт., трубочки 4 шт., соединительные штифты 8 шт., малый сервомотор 2 шт. Она закреплена соединительными штифтами.

На шестом этапе собрана и монтирована корзина для колб. Она позволяет удерживать колбы с жидкостями внутри робота в одном положении. Также подведена система трубочек, соединённых с системой насосов, баллонов и сервомоторами, приводящими их в движение. Состоит из тавровых балок 3*3 модульная 4 шт., две угловые балки 3*5 модульных, одна балка 7-ми модульная, 4 системы внутривенных инъекций, муфты 7 шт., штифты 5 шт., насосы 2 шт., сервомоторы 2 шт., баллоны 2 шт.

Седьмой этап – увеличение высоты корзины для надежной фиксации колб.Использованы панели конструктора LEGO TECHNIC 20 шт. штифты 9 шт.

Восьмой этап – сбор системы подачи краски и воздуха. Она выполнена из комбинации деталей конструктора LEGO MINDSTORMS EV3: одной тавровой балки 3*3 модульной, двух угловых балок 3*5 модульных, одной балки 7-ми модульной, 3 шприца медицинских, 4 системы внутривенных инъекций. Вся система скреплена сантехническими муфтами. К основной конструкции крепится штифтами.

Девятый этап – Установка веб камеры для распознавания карт и QR кодов, одометров (следящих за давлением на случай поломки).

Десятый этап – программирование. Для программирования робота была использована среда LEGO Education software с использованием принципа RANDOM, С#.

Финальный этап - подключение робота к ПК осуществляется через порт USB. Данный метод считаю наиболее удобным для загрузки данных. Программу запущена прямо из среды программирования, позволяя контролировать ход ее выполнения. Использовался персональный компьютер, среда программирования LEGO MINDSTORMS EV3, RANDOM. C# Робот готов.

Научная организация труда и техника безопасности.

Во время выполнения изделия не допускается работа с деталями, не соответствующая их назначению. Запрещается глотать, класть детали конструктора в рот и уши. Детали конструктора и датчики рекомендуется хранить в строго предназначенном для этого месте. Во время работы за компьютером нужно сидеть прямо напротив экрана, чтобы верхняя часть экрана находилась на уровне глаз на расстоянии 45 – 60 см (приложение 2, рис 1).

СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ ОПРОС. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Работа робота была продемонстрирована в Липецком доме-интернате для престарелых и инвалидов общего типа и среди сверстниц близкой родственницы автора. Робот выполнил все поставленные задачи. Пожилые люди (испытуемые) выглядели уверенными при управлении роботом. Большинство подтвердило удобство использования и одобрило робота. Из 40 –ка опрошенных пожилых людей, 37 подтвердили простоту и удобство использования, освобождение от запоминания дозировок лекарств. Двое не проявили интереса, потому что игнорировали назначения лечащего врача и один сказал, что предпочитает делать все самостоятельно. С его слов, так он тренирует память.

В результате успешной апробации работы подтверждено достижение поставленных в работе целей и задач. Автором сделан вывод о возможном внедрении результатов своей работы, как эффективного помощника для пожилых людей с присущими «почетному» возрасту особенностями, способного улучшить качество жизни взрослого поколения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате работывнедрена специальная конструкция, позволяющая хранить и точно дозировать жидкие лекарственные средства, согласно правилам. (приложение 3, рис.2). Внедрена специальная компьютерная программа, позволяющая точно распознавать лекарства при поднесении карты с QR кодом, исключающая возможность возникновения ошибки по вине человеческого фактора при выдаче лекарства, с учетом возрастных особенностей предполагаемых пользователей. Для простоты и удобства пользователя внедрены цветные карты (приложение 3, рис1), значительно облегчающие запоминание большого количества рецептов одновременно, поскольку достаточно запомнить цвет карты, на которой может располагаться несколько рецептов. Дополнительно карты оснащены шрифтом Брайля, позволяющие использовать их незрячими и слабовидящими людьми. А также голосовое сопровождение, напоминающее о своевременном приеме лекарства, и выдающее четкую инструкцию о последовательности действий, значительно упрощающее управление и использование устройства людьми «почетного» возраста, испытывающими страх пред «сложными» устройствами. Так же разработан таймер времени, следящим за кратностью приема лекарств, срабатывающий в указанное время. Продумана и разработана технология изделия, изготовлена технологическая карта, учитывающая научную организацию труда и технику безопасности. Разработан и применен эргономичный дизайн изделия. Собрана действующая модель робота, представляющая собой конструкцию из деталей конструктора LEGO MINDSTORMS EV3, LEGO TECHNIC, LEGO EDUCATION, оснащенную двумя микропроцессорами EV3, контролирующими моторами, собирающими данные с датчиков, поддерживающую протоколы Bluetooth; использованы медицинские шприцы, шланги систем переливания крови, гидроуровни, одометры, веб камера, муфты сантехнические, баллон сжатого воздуха. Программирование изделия осуществлялось в среде LEGO MINDSTORMS EV3, с использованием принципа RANDOM, С#.

Очистка системы проводится сжатым воздухом из баллонов под давлением. Созданная модель проста и понятна в управлении.

Описание окончательного варианта изделия полностью совпало с планируемым. Созданная модель проста и понятна в управлении (приложение 3, рис3).

В результате проделанной работы получены следующие данные:

Изучена статистика пожилого населения и трудности при прием жидких лекарственных средств;

Изучены источники информации по видам роботизированных систем дозирования жидких средств, сделан их краткий обзор;

Разработан и собран многофункциональный автоматический робот, представляющий собой модель из деталей LEGO MINDSTORMS EV3, LEGO EDUCATION, LEGO TECHNIC, оснащенную микропроцессорами EV3, моторами, системами внутривенных инъекций, веб камеры, системы гидроуровней, баллонов со сжатым воздухом;

Разработан и применен алгоритм действия работа, внедрена компьютерная программа, позволяющая распознавать и дозировать жидкие лекарственные препараты при поднесении карт с QR кодом, работает голосовое меню;

Робот способен выполнять функцию «умной аптечки», выдающей лекарства;

В данный момент ведется работа по разработке охлаждающего модуля, который позволит хранить лекарства не только при комнатной, но и при более низкой температуре. Это позволит увеличить перечень пригодных для дозирования моего устройства лекарств и удешевит конструкцию. Стоимость робота в данный момент составляет 13449 руб. Считаю стоимость высокой и веду работы по изготовлению части модулей на платформе Arduino, которая позволит уменьшить затраты и себестоимость деталей в 3 раза. Параллельно ведется разработка корпуса, который защитит колбы с лекарствами от солнечного света, детей, животных. Так же ведется разработка платформы, которая будет «взбалтывать» жидкие лекарственные средства, исключающая выпадение осадка. В дальнейшем планирую увеличить перечень лекарственных средств, пригодных для дозирования моим устройством, применив модуль подачи кремов и мазей, таких необходимых старшему поколению, поскольку я знаком с проблемой избыточного самостоятельного дозирования и нанесения наружных средств пожилыми людьми, ведущее к осложнению хода лечения. И, возможно, будет разработан модуль подачи таблеток. Данная тема находится в стадии размышления.

Так же занимаюсь совмещением мобильного телефона и робота для получения данных о приеме лекарств пожилым родственником его лечащим врачом, родственником. Планирую внести функцию опознавания лица пациента – все это позволит вести дополнительный контроль за ходом лечения и упрощать изменение доз или кратности приема.

VI. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Азимов А. Эссе №6. Законы робототехники //Мечты роботов. – М. Эксмо, 2004. – С.781 – 784.

2. Копосов. Д.Г. Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 –го классов [Текст]: учеб. пособие / Д. Г. Копосов. - М: Бином. Лаборатория знаний, 2014. – 286 с.

3. Колосова Л.В., Гунар О.В. К ВОПРОСУ ОБ АНТИМИКРОБНЫХ КОНСЕРВАНТАХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ. [Текст]: Научный центр экспертизы средств медицинского применения Министерства здравоохранения Российской Федерации ул. Щукинская, 6-1, Москва, Россия, 123182

4. Медков В. М. Демография. М., Издательство: «Инфра-М» 2003 ISBN 978-5-16-002084-6

5. MINDSTORMS EV3 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.lego.com/ru-ru/mindtorms/(дата обращения 10.09.2019).

6. Народонаселение: энциклопедический словарь. М., 1994

7. Овсяницкая. Л. Ю. Курс програмирования робота EV3 в среде LEGO MINDSTORMS EV3 [Текст]: учеб. пособие/ Л. Ю. Овсяницкая, Д. Н. Овсяницкий, А. Д. Овсяницкий – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во «Перо», 2016. – 300 с.

8. Системы дозирования воды, промышленные жидкости [Электронный ресурс]. - Режим доступа: – http://water-filter-spb.ru/(дата обращения 10.09.2019).

9. https://studopedia.ru/4_131039_dozirovanie-po-ob-emu-i-kaplyami.html (дата обращения 12.09.2019).

10. http://zenova.ru/ articles/osnovnyje-metody-dozirovanija-zhidkostej/ (дата обращения 10.09.2019).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Рис. 1 аналоги существующих устройств по промышленному дозированию жидких средств

EppendorfePool» «Ареопаг»

NordsonOOO «Дозирующие системы» «Завод дозирующей техники»

Рис.2 Изображение деталей и датчиков конструктора LEGO MINDSTORMS EV3, LEGO TECHNIC.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Рис.1 Конструкторская документация и схемы.

Техника безопасности

Рис.2 Конструкторская документация и схемы.

Технологическая карта

Рис.3 Конструкторская документация и схемы.

Перечень деталей

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.

Рис.1 Изображение карт со шрифтом Брайля и QRкодом, содержащим рецепт.

Рис.2 Изображение технических узлов устройства

Рис.3 Принцип работы устройства

Рис. 5 Фото робота