XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Био-роботизированые руки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Стручков Р.А. 1Киселев М.В. 1

---

1ДТ "Кванториум" МАНОУ ДДТ имени Ф. И. Авдеевой

Хачиров С.В. 1Тимофеева С.Д. 2

---

1ДТ "Кванториум" МАНОУ ДДТ имени Ф. И. Авдеевой

2ДТ "Кванториум" МАНОУ ДДТ имени Ф. И. Авдеевой

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Проблематизация

На одном из занятий кружка «Нейроквантум» в ДТ «Кванториум» мы задумались о будущем человечества «Что мы можем придумать такое, чтобы облегчить жизнь людей на Земле, помочь всем быть многозадачными?». Идей накидали много, но одна увлекла всех – «Био-роботизированные руки»! Только представьте, у нас вместо 2 рук будут 4 или даже больше. Мы можем только предположить, что они точно будут расширять возможности горизонта человека и улучшат качество его жизни. Благодаря лишним рукам улучшится работоспособность, откроется масса возможностей для различных сфер жизни до освоения Космоса. Например, дополнительные руки могут помочь обезвредить вооружённого человека, помогут спастись от падения с большой высоты, защитят при падении обломков или их можно использовать вместо специальных страховочных тросов, а хватательные способности в очищении различного мусора, например в космосе и т д

Актуальность

Благодаря лишним рукам можно увеличить физическую силу человека, его мощь и экономить время. Эти руки можно использовать во всех сферах деятельности человека для улучшения качества жизни. Мы можем собрать прототип био-роботизированных рук из ресурсов «Нейроквантум» на базе ДТ «Кванториум».

Целеполагание

Цель проекта: Создать био-роботизированные руки, т е дополнительные руки для улучшения качества жизни человека

Задачи:

1. Изучить литературу и интернет-ресурсы по данной проблеме

2. Планировать работу

3. Вести поиск аналогов и готового решения на международном рынке

4. Конструировать

5. Моделировать

6. Создать прототип

7. Проверить на работоспособность и сделать выводы

Материалы и методы исследования – анализ, сопоставление, сравнение, эксперимент, моделирование, макетирование, прототипирование

Обзор литературы – задача №1

При поиске различных аналогов и источников по данной проблеме, мы обнаружили американский сайт – IEEESpectrum , статью - Here's That Extra Pair of Robot Arms You've Always Wanted, где дается следующее определение: «Дополнительные роботизированные конечности (SRL) — это роботизированные конечности, которые при ношении дают больше конечностей, чем у вас обычно было бы. Другими словами, это не роботизированные конечности, предназначенные для замены биологических конечностей, которых вам может не хватать, а скорее роботизированные конечности, предназначенные для увеличения количества человеческих возможностей, которых у вас не было»

Также при создании проекта мы решали, что же все-таки выбрать для улучшения качества жизни человека – экзоскелет, либо же дополнительные конечности. Однако, мы выбрали дополнительные руки и что бы закрепить нашу позицию, мы приведем вам цитату из того же сайта:

«Так, а почему бы просто не перейти к полнотелому экзоскелету, вместо дополнительных рук? Исследователи говорят, что ограничение экзоскелета заключается в том, что по определению он привязан к телу пользователя: независимо от того, какая наиболее выгодная ориентация для ваших конечностей может быть, экзоскелет прикладывает всю свою силу, куда бы вы ни решили поместить свои руки и ноги. Наличие конечностей, которые питаются, но при этом полностью разделены, дает системе гораздо больше возможностей для оказания вам помощи. Также нельзя забывать о недоступности экзоскелетов обычным людям из-за высокой стоимости. Дополнительные конечности можноиспользовать для простых повседневных дел.Экзоскелеты крайне энергозатратны и требуют большого энергетического резервуара⁽¹⁾.»

Мы параллельно изучали принципы работы мышц, а также как работает способ электромиографии: «Для понимания механизма работы мышц, определения их состояния и развиваемой ими силы врачи и учёные используют электромиографию – метод, позволяющий измерить электрическую активность мышц во время их сокращения и после

обработки полученного сигнала сделать вывод о различных параметрах их работы. Внутри мышцы при её сокращении протекают крошечные токи – это проявление электрической активности мышечных клеток. Эти токи в миллионы раз меньше того тока, который протекает в спирали лампочки накаливания. Чтобы такую активность можно было измерить и изучить, используют специальные приборы – электромиографы. Они представляют собой сложные устройства, которые фильтруют электрический сигнал мышцы, очищая его от помех и шумов, а затем усиливают в десятки тысяч раз. Такой сигнал уже можно регистрировать и обрабатывать. Итак, электромиограмма представляет собой запись электрической активности мышечных клеток, а такой метод исследования мышц называется электромиографией. Моторчиками мышцы являются миоциты –

сократительные мышечные клетки, которые изменяют

с вою длину и развивают усилие. Миоцитам

необходимо каким-либо образом сообщить, что они

должны сократиться. Для этого нейроны посылают

электрические сигналы мышцам, а те в ответ

сокращаются. Когда мы задумываем какое-то

движение, в головном мозге активируются нейроны

двигательной коры. Они передают сигналы в спинной

мозг, где располагаются мотонейроны. В спинном

мозге сигналы о сложном движении переводятся

на понятный мышцам язык: когда и на сколько нужно

сократиться. Эти сигналы к мышцам поступают через

мотонейроны, которые своими электрическими

импульсами управляют мышцами.»⁽²⁾

Результаты исследования и их обсуждение – задача №2

Мы изучили интернет-ресурсы и оказалось, что информации о био-роботизированных руках очень мало, если даже находили, то подробных описаний нет. На таблице №1 систематизировали «готовые решения», которые имеются на данный момент. Например, японские ученые решили расширить возможности человека. Для этого они создали дополнительные роботизированные руки с удаленным управлением. Другого человека привлекли для контролирования дополнительной пары конечностей, так как многие люди не могут сделать это самостоятельно. Оператор может управлять руками дистанционно с помощью шлема виртуальной реальности, на который будут транслировать видео и звуки. Основная его задача – перемещение роборук, которые могут брать предметы и показывать жесты. Для того чтобы это стало возможным, японские разработчики прикрепили к роботизированным рукам динамик, две камеры, два микрофона, искусственную голову и конструкцию для приведения ее в движение. Это «чудо техники» закрепляется на спине человека при помощи специального блока. В таблице №1 японская разработка под номером два ⁽³⁾

Таблица №1 «Аналоги»

Выводы по таблице №1: Исходя из всех выше перечисленных аналогов, мы можем сказать, что наши био-роботизированные руки будут стоить значительно дешевле и обладать почти такими же функциями.

Планирование работ – задача №3

1 этапом нашей работы было планирование наших действий. На таблице №2 расписана «Дорожная карта» развития проекта по месяцам 2022/2023 учебного года.

Таблица №2 «Дорожная карта проекта»

Выводы по таблице №2: как видно из таблицы работы по проекту проводились своевременно и выполнялись качественно.

Таблица №3 «Дорожная карта этапа Реализации замысла»

Выводы по таблице №3: По этой таблице видно, как мы распределяли задачи между членами команды. На этапе 3д моделирования пригласили из «Хайтек цеха» Посельского Леонида, ученика 8 класса для реализации этапа 3д моделирования. Благодаря ему наши задумки и идеи визуализировались, что можно увидеть на картинке №2

Конструирование – задача №4

Картинка №1 «Конструирование идеи проекта»

На данном этапе сделали первый чертеж идеи нашего проекта, картинка №1. По чертежу определились с задачами и функциональностью наших био-роботизированных рук. Что должны уметь наши руки:

Хватать, т.е. необходимы: сервомотор, датчики ЭМГ и ЭЭГ, программа для платы Ардуино Уно, саму конструкцию можно распечатать на 3д принтере в «Хайтек цехе»;

Перемещаться, помогут рельсы и шестеренки, их надо заказывать. Перемещаются по 2 осям, тогда нужно 2 мотора;

Материал должен быть прочным, т. к. конструкция будет тяжелым и для облегчения для 2

прототипа можно использовать оргстекло;

Необходимо использовать для реализации проекта «мозг» - микроконтроллер;

Для двух роботизированных рук 6 моторов

Необходимо знать о пропорциях и помнить о точных параметрах.

Моделирование – 5 задача

Картинка №2 «3д модель идеи проекта»

После конструирования, чтобы визуализировать идею проекты мы пригласили обучающегося 8 класса «Хайтек цеха» Посельского Леонида. Перед ним стояли такие задачи и нужно было сделать:

Человек с ранцем, на которой прикреплены 2 руки

Ранец с 2 руками, как школьный рюкзак

Человек с 4 руками, имеющими разные задачи, т е 2 руки что-то поднимают, две – держат

Как мы видим по картинке №2, Леонид справился с задачами на Blender. В дальнейших планах – подробная картинка, т е модель руки, точнее детализированная.

Создание прототипа – задача №6

Фотография №1 «Сборка 1 прототипа»

Приборы и материалы, которые использовали для 1 прототипа:

1. Микроконтроллер EV3.

2. Микроконтроллер Arduino.

3. Детали LegoMindstorms.

4. Два больших сервопривода LegoMindstorms.

5. Детали Makeblock.

6. Два сервопривода Makeblock.

7. Тактильныйдатчик Lego Mindstorms.

8. Гироскоп Lego Mindstorms.

9. Два датчика ЭМГ.

Этапы сборки:

1. Сборка осевого движения устройства на основе EV3.

2. Написание скетча для управления EV3 с помощью тактильного датчика и гироскопа.

3. Сборка одной руки на основе Arduino и деталей Makeblock.

4. Написание скетча для управления рукой с помощью датчика ЭМГ.

5. Объединение устройств на EV3 и Arduino.

Выводы по 1 прототипу

К сожалению, наш проект получился хрупким и тяжелым, им попросту неудобно пользоваться. Мы потратили на него очень мало времени, так как у нас была простая нехватка времени. Присборке пользовались всеми возможными ресурсами, которые у нас были, поэтому недоработали. Нужны дополнительные ресурсы, закупки для реализации идеи!

Конструирование и задачи второго прототипа

На данном этапе мы начинали разработку второго прототипа (к слову, он уже готов). На фото изображены примерные «схемы» движения наших био-роботизированных рук. При реализации второго прототипа, мы учли все минусы первого прототипа «тяжелый вес и хрупкость». Для 2 прототипа использовали оргстекло.

Приборы и материалы, которые использовали для 2 прототипа:

1. Микроконтроллер EV3.

2. Микроконтроллер Arduino.

3. Детали LegoMindstorms.

4. Два больших сервопривода LegoMindstorms.

5. Детали из органического стекла.

6. Три сервопривода.

7. Тактильныйдатчик Lego Mindstorms.

8. Гироскоп Lego Mindstorms.

9. Два датчика ЭМГ.

Этапы сборки:

Оставлена часть на основе EV3. – главная проблема

Сборка руки на основе Arduino с использованием органического стекла в качестве деталей.

Улучшение и отладка скетча.

Объединение устройств на EV3 и Arduino.

Использование датчиков электромиограммы (ЭМГ), фиксирующие напряжение мышц. Датчики будут прикреплены к мышцам рук. При определенном напряжении био-конечности будут делать определенные действия

Коды

Код сделанный на основе LegoEV3 – созданный для перемещения оси Х (влево и вправо) и У ( вверх и вниз) состоит из «блоков»

Код сделанный на основе ARDUINO – созданный для «полного» владения био-роботизированными руками: захват и перемещение вперед и назад

Конструирование третьего прототипа

Картинка №3

При создании третьего прототипа мы столкнулись с проблемой: предполагали начать создавать что-то отдаленно напоминающее рюкзак для перемещения наших био-роботизированных рук. Он должен был выполнять движения влево, право, вверх и вниз, заменяя часть, сделанную на LegoEV3. Для начала мы начали делать чертеж, в котором указали точные размеры. Все шло хорошо, но не учли ту же тяжесть и хрупкость. В итоге, нам пришлось полностью переделывать примерное понимание, как должен выглядеть наш рюкзак. Попутно создавая вторую руку, для полного потенциала проекта (на данный момент она уже готова) решили использовать корпус 3D принтера для самого рюкзака. На картинке №3, можно увидеть готовый вариант рюкзака (который может выполнять действия вверх, вниз и т.д), а также две Био-роботизированные руки. – код для рук был изменен.

Приборы и материалы для 3 прототипа:

Фанера

Шаговые двигатели

Орг.стекло

Болты, гайки и саморезы

Этапы сборки 3 прототипа:

Изменена часть на LegoEV3

Собрана вторая рука

Изменен код для обеих рук

Создан код для «рюкзака»

Результаты:

Проведен поиск аналогов;

Проведен анализ современного состояния проблемы;

Разработан план поэтапных действий команды;

Разработана 3D модель био-роботизированной руки на платформе Blender;

Разработана программная часть механического движения для био-роботизированной руки;

Разработаны прототипы био-роботизированной руки на базе ДТ «Кванториум».

Выводы:

Первый прототип, к сожалению, получился хрупким и тяжелым, им неудобно пользоваться. Обосновать это можно тем, что на первый прототип было уделено незначительное количество времени, в силу загруженности основных исполнителей проекта. Также при сборке была острая нехватка ресурсов (деталей и комплектующих). Был создан второй прототип, который во многом превосходил первый, но к сожалению, в нем также были недостатки – было использована часть на Lego EV3 (которую мы потом исключили и пытались придумать альтернативу). Было решено создать третий прототип, для полного усовершенствования второго прототипа – заменен корпус Lego EV3, на корпус 3D принтера, была собрана вторая рука, а также был изменен код.

Список литературы

IEEE Spectrum: https://spectrum.ieee.org/heres-that-extra-pair-of-robot-arms-youve-always-wanted

Нейролаборатория BiTronics NeuroLab LEGO MINDSTORM Education EV3 – Учебноепособие. С. 4, 6

https://fainaidea.com/nauka/bionicheskie-protezy/teper-u-cheloveka-mogut-poyavitsya-dopolnitelnye-ruki-126544.html

https://bitronicslab.com

https://www.computerra.ru/182143/mit-supernumeral-robotic-limbs

https://hi-news.ru/technology/uchenye-iz-mit-razrabatyvayut-dopolnitelnuyu-paru-ruk-dlya-pomoshhi-lyudyam.html

https://rostec.ru/news/ruka-pomoshchi-kak-ustroen-bionicheskiy-protez/

https://zumim.com/dopolnitelnyie-robotizirovannyie-ruki-vozmozhno-skoro-stanut-vashimi-pomoshhnikami.html

https://vladivostok.bezformata.com/listnews/uchenie-sozdali-robotizirovannie-ruki/68804687/

https://spectrum.ieee.org/heres-that-extra-pair-of-robot-arms-youve-always-wanted