XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Создание модели руки-манипулятора
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Меня интересует робототехника как будущая моя профессия, и когда в начале этого учебного года на уроке проектной деятельности нам предложили выбрать тему проекта или исследования, мне сразу захотелось сделать какую–нибудь модель, используя новый конструктор Lego Mindstorms. Но возникла проблема: разработчики конструктора предлагали схему сборки или змеи, или дракона, что меня совсем не устраивало. Возник вопрос, можно ли сконструировать модель, не предложенную разработчиками конструктора, а так как меня больше привлекает роботы в медицине, я решил сконструировать свою модель робо-руки.
Я поставил цель - создать модель конечности, чтобы наработать опыт для будущей профессии.
Объект моей работы – робототехника.
Предметом является процесс создания модели робо-руки.
Задачи:
изучить литературу по робототехнике;
разработать техническое задание (что это и как должно работать);
разработать чертеж (определение элементов и связи между ними), установить принцип работы;
выполнить эскиз изделия (как будет выглядеть модель);
составить технологическую карту (определить детали, инструменты, операции и последовательность их выполнения);
собрать модель ( создание продукта);
проверить ее эффективность (плюсы и минусы).
Я буду пользоваться следующими методами:
моделирование;
сравнение;
анализ.
Актуальность данного исследования состоит в том, что в настоящиймомент разрабатывается всё больше различных роботов, от самых разнообразных по форме и размеру, до самых функциональных, эффективных и прогрессивных, используемых как в производстве в качестве новейших технологий, так и в медицинских , научных целях.
Что такое робототехника
По определению словаря Википедия – робототехника - это прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой развития производства. Более простым языком - это наука, разрабатывающая различные системы (компьютеры, роботы).
Роботы способны заменить человека во многих сферах деятельности.
По назначению они разделяются:
промышленные (участвуют в процессе производства деталей (робо-станки);
бытовые (роботы пылесосы);
для обеспечения безопасности;
военные или боевые (робот-сапёр);
исследовательские (марсианские шагоходы);
медицинские (роботы манипуляторы).
Медицинские автоматизированные устройства используются для проведения лечебных или диагностических процедур. В эту категорию входят такие роботы:
1. хирурги (используются для проведения оперативных вмешательств и манипуляций. помимо операций, исполняют обязанности ассистента);
2. фармацевты (изготавливают и сортируют лекарственные препараты);
3. протезы (роботизированные аналоги помогают частично восстановить функции утраченных конечностей);
4. трансплантаты (применяются в качестве замены переставших функционировать или травмированных внутренних органов);
5. сиделки (используются для ухода за пациентами, неспособными самостоятельно обслуживать себя);
6. диагносты (составляют план лечения и ставят диагноз, анализируя результаты обследования и данные анамнеза);
7. симуляторы пациентов (используются для обучения или повышения квалификации медицинских работников).
По типу управления роботизированные аппараты делятся на:
1. Автономные. Решают поставленную задачу, не требуя вмешательства человека. Устройства принимают и анализируют информацию с помощью искусственного интеллекта. Считаются самыми совершенными техническими средствами, однако устройство, способное к критическому мышлению, еще не создано, такие попутки пока приводят к ошибкам в тех случаях, когда задача имеет несколько вариантов решения. К автономным можно отнести беспилотные машины, дроны.
2.Полуавтономные. Постоянного управления не требуют, выполняют действия, следуя заложенному заранее алгоритму. Эти роботы не отступают от составленного человеком плана. В группу входят устройства-сборщики, станки ЧПУ.
3.Управляемые. Требуют постоянного вмешательства человека. Управляются с ближнего расстояния или удаленно с помощью средств ввода данных. В эту категорию включают экзоскелеты, устройства медицинского назначения.
Внешний вид и строение робота во многом зависят от способа его передвижения. С этой точки зрения, роботизированные машины классифицируются на:
1.Колесные. Это самый простой метод перемещения. Характеристики аппарата зависят от количества колес. Устройства с малым числом движущихся деталей отличаются маневренностью. Большее количество колес помогает повысить устойчивость аппарата, улучшить проходимость.
2.Гусеничные. Этот метод часто реализуют при разработке военной техники. Гусеницы позволяют машине без труда передвигаться по пересеченной местности.
3.Шагающие. Имитация ходьбы осложняет создание андроида. Достичь нужной устойчивости практически невозможно.
4.Летающие. В эту категорию входят беспилотные самолеты, дроны, ракеты.
5.Плавающие. Перемещаются, используя силу ветра или винты. Могут работать как над водой, так и на глубине.
В робототехнике используются три типа двигателей:
двигатели постоянного тока,
шаговые двигатели,
сервоприводы и типа RC (с радиоуправлением).
Роботы могут изготавливаться из таких материалов как: поликапролактам, пластик, металл, стекло и др. В механизмах используются оси, валы, втулки, штоки, шестерни, цилиндры, рычаги и кулачки.
Оснащение роботов включает микрочипы, датчики, механизмы подачи звуковых сигналов, камеры и инфракрасные сенсоры передвижения, инфракрасные спектрометры, навигационные сенсоры и управляющие микроконтроллеры
Создание модели руки – манипулятора
После изучения теоретического материала я приступил к созданию своей модели. На первом этапе я выбрал свой будущий продукт. Я остановился на руке-манипуляторе. На втором этапе определил, что это и как должно работать. Я составил техническое задание - это должны быть манипуляторы, которые могли бы захватывать легкие предметы.
Третий этап вызвал у меня затруднения, так как ни схемы, ни чертежи я ни разу не составлял, поэтому они у меня вышли не четкие, но как работать дальше мне было по ним понятно (Приложение 1, рисунки1,2).
Обязательный этап 4 – создание эскиза – новое испытание для меня. Как будет выглядеть моя модель, я четко представлял, но вот эскиз делать, еще не приходилось. Тут мне большую помощь оказала учитель изобразительного искусства. Вместе с ней мы сделали эскиз модели (Приложение 1, фото 1).
На пятом этапе я составил технологическую карту: отобрал детали конструктора, продумал операции, последовательность их выполнения.
На этапе 6 я приступил к моделирование продукта. По чертежу я собрал основание, где использовал 4 черных балки длиной 6см, 26 штифтов длиной в 2 см (Приложение 2, фото 2).
Затем я начал сборку двух манипуляторов. Мне понадобилось 3 провода, 2 балки длиной в 7 см, 2 балки длиной в 11 см, 4 фиксатора, 4 маленьких оси (Приложение 2, фото 3,4). На сборку двух манипуляторов ушло 4 часа (Приложение 3, фото 5).
Дальше мне надо было прикрепить 1 датчик касания, 1 датчик расстояния, один грузик к основанию (Приложение 3, фото 6). Все этапы сборки в общей сложности заняли 8 часов.
Теперь необходимо было проверить мою модель в действии. Были проведены два опыта.
Опыт 1 – это поднятие и использование (изменение в положении) пластиковой бутылки. В результате, робот смог захватить бутылку (Приложение 4, фото 7,8,9).
В опыте 2 задача была поднять бутылки, наполненных наполовину и полностью водой. В процессе выполнения этой задачи ощущалась вероятность того, что из-за нежесткого скрепления манипуляторы могли не удержать всю конструкцию, но задача была выполнена в полном объеме (Приложение 5, фото10,11,12).
Проанализировав результаты опытов, выявил достоинство и недостатки модели. К первому можно отнести: удобное использование, 2 вида управления, возможность использования для увеличения грузоподъемности. Но, в то же время надо отметить, что возможность использования ограничена, питание от батареек не позволяет долго работать. Сложность в сборке требует много времени. Хлипкость конструкции требует доработки.
Заключение
Итак, в ходе работы над проектом я получил следующие результаты: я расширил свои знания о робототехнике; получил опыт в робототехнике; я убедился в сложности создания роботов - это долгое и кропотливое занятие, требующее много времени, это достаточно сложная задача, которая требует максимум внимания и концентрации для достижения хорошего результата.
Можно сделать вывод: задача по созданию робо-руки была успешно выполнена;
хотя сам робот не слишком идеален и требует дополнительной доработки в программном обеспечении и конструктивных особенностей, было доказано эффективность робо-руки в 2х опытах, Моя модель может быть предложена как еще один вариант сборки из моего конструктора, целевая аудитория которого – это подростки. Стоимость комплекта достаточно дорогая - 40 тысяч рублей, но она окупается, когда видишь результаты своего труда.
Информационные ресурсы
https://educube.ru/catalog/roboty-lego-mindstorms
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82
http://robotrends.ru/robopedia/roboty-po-otraslyam-i-naznacheniyu
ttps://robroy.ru/roboti/
https://robolive.ru/tipy-dvigatelej/
https://moluch.ru/archive/137/36438/
Приложение 1
Этап 3
Рисунок 1. Чертеж робо-руки
Рисунок 2. Электрическая схема
Этап 4
Фото 1. Эскизы модели
Приложение 2
Фото 2. Сборка основания
Этап 6. Моделирование продукта
Фото 3,4. Сборка манипуляторов
Приложение 3
Фото 5. Манипуляторы собраны
Фото 6. Датчики прикреплены
Приложение 4
Опыт1. Захват и поднятие пустой бутылки
Фото 7
Фото 8
Фото 9
Приложение 5
Опыт 2. Захват и поднятие бутылки с водой
Фото 10
Фото 11
Фото 12