XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Манипулятор для помощи людям с ОВЗ (На примере нашего авторского прототипа)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Актуальность проблемы:
В последнее время, гуляя на улицах города, мы стали замечать людей с ограниченными возможностями здоровья разного возраста. И мы задумались, чем мы можем помочь им? Многие люди стараются им помочь, например, принести продукты в дом, помочь с бытовыми делами. Существуют волонтеры, которые приходят в дом к таким людям, но людей с ОВЗ очень много и помочь каждому круглосуточно невозможно. Поэтому, мы придумали манипуляторы-помощники, работающие на ЭМГ датчиках, что позволяет людям пользоваться им с помощью мышц рук и ног. Манипуляторы могут помогать таким людям в режиме 24/7. Мы считаем, что в современном мире он будет очень актуален. Если его грамотно продумать и выпустить в производство, то он будет помогать многим людям и существенно облегчит им жизнь. Нужно произвести такие манипуляторы, которые будут финансово доступны всем.
Цель работы: Создать прототип манипулятора помощника предварительно проанализировав, как мы можем помочь людям с ОВЗ.
Гипотеза: Возможно, наш прототип сможет облегчить жизнь людям с ограниченными возможностями здоровья.
Объект исследования: Жизненные трудности у людей с ОВЗ.
Предмет исследования: Выявление основных преимуществ нашего прототипа для людей с ОВЗ
Методика исследования: Наблюдение, исследования, анализ, моделирование.
Задачи:
Изучить аналоги манипуляторов-помощников на основе первоначально-сделанного прототипа.
Создать компактный и мобильный прототип манипулятора.
Обобщить информацию найденную в интернете и выявить основные особенности нашего прототипа.
Практическая значимость проекта: показать на примере нашего прототипа, что помочь, облегчить жизнь каждого человека может каждый!
Основная часть:
А знаете ли вы, что из себя представляют манипуляторы-помощники?
Манипуляторы – это тип промышленных роботов с функциями, иногда такими же как и у человеческой руки. Такие манипуляторы не имеют чётко установленного определения, поэтому многие спорят о принадлежности того или иного прототипа к этому классу. Так как наш прототип относится более к бытовым моделям, мы посмотрели как определено понятие бытовых моделей, манипуляторов в Википедии - Бытовой робот — робот, предназначенный для помощи человеку в повседневной жизни.
В науке существует множество типов манипуляторов, горизонтальные
(портальные), их длина может достигать нескольких десятков метров. Такие манипуляторы применяются тогда, когда нужно работать в нескольких участках одновременно. Вертикальные манипуляторы(крепление на пол или потолок) используются для условий ограниченного пространства. Стационарные манипуляторы самые распространенные. Они могут отличаться от выбранного типа крепления, то есть настенные, потолочные и напольные.
Мы создали мобильный тип манипулятора. Такие манипуляторы не связаны с
определенным местом и могут работать в любой точке здания в зависимости от того, где находится человек с датчиками.Манипуляторы такого типа имеют достаточно малую массу и физические размеры. Они могут быть компактно уложены для транспортировки, расчитаны на столкновения с препятствиями.
Манипулятор может быть самостоятельным устройством, так и частью большого,
сложного роботизированного комплекса. Части манипулятора имеют соединения, допускающие вращательное (например те же самые шарниры), или же поступательное (то есть линейное) движение.
Чем же манипуляторы-помощники помогают людям?
Существует множество разделов по которым работают манипуляторы.
Машиностроение и металлообработка. На таких производствах манипуляторы выполняют финишную обработку различных деталей из металла и различных материалов.
Медицина и фармацевтика. В медицине манипуляторы используют в качестве помощника на операциях. Роботы должны быть очень чувствительными, чтобы осторожно выполнять все действия. Также такие устройства позволяют совершать хирургическое вмешательство удаленно.
Продовольствие и сельское хозяйство. В сельском хозяйстве применяют мобильные манипуляторы для сбора урожая или же для кормления животных.
Химическая промышленность. В этом разделе, манипуляторы применяют для автоматизации работы с опасными веществами. К манипуляторам, используемым в химической промышленности, предъявляются особые требования. Устройства должны быть устойчивыми к агрессивным средам и иметь высокую точность позиционирования.
Повседневный быт. В этом разделе манипулятор выполняет ежедневный быт по дому. Помощь в приготовлении пищи, в уборке дома, в стирке или глажке белья.
Аналоги.
Рассмотрим аналоги №1
На фотографии изображен робот от компании
«CERN Accelerating science», что означает
-ЦЕРН ускоряет науку. Их робот работает
в химической промышленности. Вот так на их
сайте описан манипулятор: «Роботы в ЦЕРНЕ
выполняют множество задач – от извлечения
лент с данными до безопасного обращения с
материалами. В отличие от промышленности, где роботы часто используются для ускорения выполнения задач, в CERN они чаще используются для того, чтобы сделать окружающую среду полностью безопасной для тех, кто работает в лаборатории». ЦЕРН (CERN) — европейская организация по ядерным исследованиям, вторая по размерам в мире лаборатория физики высоких энергий.
Аналог №2
На фотографии изображен второй аналог. Это
к омпания «Mobile Industrial Robots», тоесть MiR,или
же Мобильные промышленные роботы. В статье,
найденной в интернете, сказано: «Мобильные
промышленные роботы - это части оборудования,
которые можно запрограммировать для выполнения
задач в промышленных условиях. Обычно они
использовались в стационарных приложениях и на
рабочих местах; однако мобильные промышленные
роботы внедряют новый метод бережливого
производства. Благодаря достижениям в области
управления и робототехники современные технологии
были усовершенствованы, что позволяет выполнять мобильные задачи, такие как доставка продукции». Самый крупный офис MiR’а находится в Северной Америке.
Создание прототипа
Принцип работы и особенности нашего прототипа.
Прототип построен на основе LEGOMINDSTORMSEV3. Особенностью нашего
прототипа является использование датчиков ЭМГ. 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
э лектрической 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.
Электромиограмма представляет собой запись электрической активности мышечных клеток, а такой метод исследования мышц называется электромиографией (ЭМГ).
Первая версия прототипа был создан в мае прошлого учебного года. У него не
было колес, поэтому он был стационарным, управлялся двумя людьми и был достаточно большим по размерам. Один человек выполнял функцию открытие/закрытие клешни, а второй - отвечал за выдвижение клешни.
В декабре этого учебного года, мы переделали его и добавили к нему колеса, а
управляться он стал одним человеком. После этого, можно считать, что это настоящий мобильный манипулятор. На данный момент, манипулятор создан из обычных материалов, доступных нам, школьникам, поэтому мы не можем сейчас его эксплуатировать в полной мере. Но в будущем мы планируем создать модель из более прочных материалов, чтобы у него был долгий срок службы и мог применяться в разных условиях.
Сейчас разрабатывается третья версия прототипа для улучшения функциональности. В нем изменится размер, хват клешни станет более крепким. Ознакомиться с фотографиями программы и манипулятора можно здесь
Заключение:
И зучив аналоги нашего манипулятора и учитывая, что наука развивается, мы пришли к выводу, что наш манипулятор найдет свое применение в обществе, потому что спрос рождает предложение. А людей с ОВЗ в наше время много: от детей до пожилых и всем им нужна разная помощь. Чтоб эти люди не чувствовали себя беспомощными, нужно постоянно разрабатывать роботов помощников. Компактный и мобильный манипулятор будет иметь большое преимущество перед стационарными аналогами, потому что его можно будет и брать с собой в дорогу и применять в разных условиях и он будет прост в использовании, чтоб им могли пользоваться люди разного возраста.
Список литературы:
1. Статья про роботов «ЦЕРН» - https://home.cern/news/news/engineering/meet-cern-robots
2. Статья про роботов «MIR» - https://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_industrial_robots 3.Официальный сайт «MIR» - mobile-industrial-robots.com
4. Нейролаборатория BiTronics NeuroLab, учебное пособие - bitronicslab.com›digitlab