XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автомобиль для людей с ограниченными возможностями здоровья
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
История автомобилестроения отражает эволюцию науки и техники. Подсчитано, что на данный момент в мире действует более 100 000 патентов, посвященных современному автомобилю. Тем не менее, в нашей работе мы укажем первые, самые важные шаги в автомобилестроении. Автомобиль настолько глубоко внедрился в жизнь современного человека за последние 100 лет, что на сегодняшний день уже мало, кто может представить себе день без автотранспорта.
Это были удивительные годы творчества борьбы успехов и поражений. Никогда более история автомобилестроения не развивалась столь стремительно и не приносила столько эмоций простым обывателям ставших невольными свидетелями грандиозного шоу «появления первых автомобилей» и для самих инженеров, механиков-изобретателей.
Актуальность темы:
В нашем современном мире благодаря развитым технологиям, вопрос транспортировки какой-либо группы населения решить совершенно несложно. Множество различных компаний предлагают автомобили нескольких классов, на выбор − ассортимент невероятно огромный. Однако перевозка людей с ограниченными возможностями здоровья связана с некоторыми сложностями, зачастую это с трудом разрешимая проблема. При перевозке инвалидов-колясочников существует много сложностей, часто больных приходится прямо в коляске завозить в салон. То есть, машина для перевозки инвалидов и людей с физическими ограничениями должна быть особенной и отвечать всем необходимым требованиям.
Поэтому в тот момент, когда ребята нашего возраста предпочитают строить скоростные автомобили, мы же считаем, что робототехника могла бы помочь в усовершенствовании уже созданных технологий, привнеся возможно, что-то новое в автомобили для тех людей, которые нуждаются в этом больше всего.
Цель исследования: Разработка и усовершенствование автомобиля для людей с ограниченными возможностями здоровья на базе конструктора Lego Spike Prime.
Задачи исследования:
Познакомиться с историей появления автомобиля;
Изучить изобретение электрических автомобилей и двигателя внутреннего сгорания;
Проанализировать автомобили с оборудованием для инвалидов из Японии;
Сконструировать и запрограммировать модель автомобиля для людей с ограниченными возможностями здоровья.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].
Глава 1. Теоретическая часть материала по теме исследования
История появления автомобиля.
История современного автомобиля начинается ещё 120 лет назад. Тогда немецкие инженеры Карл Бенц и Готлиб Даймлер создали первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Именно с появления этого двигателя и начинается история современного автомобиля. Это был прорыв в технике и автомобилестроении, после которого начала формироваться эра машиностроения. Первые изобретатели начали создавать паросиловые машины, способные перевозить человека, еще в 17 веке. Они были больше похоже на экипажи. Ездили медленно, сильно шумели и дымили.
Один из таких изобретателей Фердинанд Вербст, член иезуитской общины в Китае, построил первый автомобиль на паровом ходу в 1672 году как игрушку для китайского императора. Автомобиль был небольшого размера и не мог везти водителя или пассажира, но, возможно, он был первым работающим паровым транспортом.
Паровые кареты
В Европе паросиловые самоходные машины были разработаны в конце 18 века. В 1770 году Николя-Жозеф Кюньо продемонстрировал свой экспериментальный тягач артиллерийских орудий с паровым приводом. Конструкция Кюньо оказалась непрактичной и не развивалась в его родной Франции, и центр инноваций переходит в Великобританию.
В 1784 году Уильям Мэрдок построил работающую модель паровой кареты, а в 1801 году Ричард Тревитик ездил на полноразмерной машине по дорогам Камборна. Такие машины какое-то время были в моде и на протяжении следующих десятилетий были разработаны такие новшества как ручной тормоз, многоступенчатая трансмиссия и улучшенное рулевое управление.
В России в 1780-ых Иван Кулибин начал работу над каретой с паровым двигателем и педалями. Он закончил работу в 1791 году. В числе его особенностей маховик, тормоз, коробка передач и подшипник, из которых состоит любой современный автомобиль. Его конструкция имела три колеса. К сожалению, как и со многими другими его изобретениями, государство не видело потенциала этих разработок, и они не получили дальнейшего развития.
Первый патент на автомобиль в Соединённых штатах был предоставлен Оливеру Эвансу в 1789 году. Эванс демонстрировал его первую успешную самоходную машину, которая была не только первым автомобилем в США, но также и первой машиной-амфибией, так как была способна путешествовать на колёсах по земле и посредством лопастей на воде [4].
Изобретение современных автомобилей
В 1806 году появились первые машины, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, что привело к появлению в 1885 году повсеместно используемого сегодня газолинового или бензинового двигателя внутреннего сгорания. Машины, работающие на электричестве, ненадолго появились в начале 20-го века, но почти полностью исчезли из поля зрения вплоть до начала 21-го века, когда снова возникла заинтересованность к малотоксичному и экологически чистому транспорту.
Изобретателем современного автомобиля считается немецкий инженер Карл Бенц, который придумал множество автомобильных технологий. Четырёхтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания, который представляет самую распространённую форму современного самоходного движения — разработка немецкого изобретателя Николауса Отто.
Изобретение электрических автомобилей и двигателя внутреннего сгорания.
Электрические автомобили
В 1828 году венгр Йедлик Аньош, который изобрёл ранний тип электрического мотора, создал миниатюрную модель автомобиля, приводимого в движение при помощи его нового двигателя. В 1834 году изобретатель первого электрического мотора постоянного тока, кузнец штата Вермонт Томас Дэвенпорт, установил свой мотор в маленькую модель машины, которой он оперировал на кольцевом электрофицированном треке. В 1838 году шотландец Роберт Дэвидсон разработал электрический локомотив, который достигал скорости 6 км/ч (4 мили/ч). В Англии в 1840 году был предоставлен патент за использование рельсовых путей в качестве проводника электрического тока и подобные американские патенты были выданы в 1847 году Лиллей и Colten. Приблизительно в период между 1832 и 1839 годом гражданин Шотландии англичанин Роберт Андерсон изобрёл первую грубую электрическую карету, приводимую в движение неперезаряжаемыми первичными гальваническими элементами.
Двигатели внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания - это любой двигатель, который использует принципы взрывного сгорания топлива, чтобы толкать поршень в цилиндре поршень движения оборотов коленчатого вала, затем поворачивает колеса машин через полуось или коленчатым валом. Виды топлива для двигателей внутреннего сгорания — бензин, керосин (солярка).
Ранние попытки изготовления и использования двигателей внутреннего сгорания были затруднены из-за отсутствия подходящего топлива, особенно жидкого, и ранние двигатели использовали газовую смесь. Ранние эксперименты с использованием газов были проведены швейцарским инженером Франcуа Исааком де Ривасом (1806), построившим двигатель внутреннего сгорания, работающий на водородно-кислородной смеси, и англичанином Сэмюелем Брауном (1826), экспериментировавшим с собственным двигателем на водородном топливе в качестве транспортного средства.
Около 1870 года в Вене изобретатель Зигфрид Маркус поместил жидкостный двигатель внутреннего сгорания на простой тележке что сделало его первым человеком, использовавшим транспортное средство на бензине. Сегодня этот автомобиль известен как «первая машина Маркуса». В 1883 году Маркус получил немецкий патент на низковольтную систему зажигания типа магнето. Это был только первый его автомобильный патент.
Первый реально использующийся автомобиль с бензиновым двигателем был сконструирован одновременно несколькими независимыми немецкими изобретателями: Карл Бенц построил свой первый автомобиль в 1885 в Мангейме. Бенц получил патент на свой автомобиль 29 января 1886 и начал первый выпуск автомобилей в 1888 году после того как его жена Берта Бенц показала с помощью первой междугородней поездки от Мангейма до Пфорсгейма и обратно, что безлошадные экипажи вполне подходят для повседневного использования. С 2008 года это событие отмечено Мемориальной трассой имени Берты Бенц. Один из первых четырехколесных автомобилей в Британии, работающий на бензине был построен в Бирмингеме в 1895 году.
В этой суматохе были практически забыты многие первопроходцы. Например, Джон Вильям Ламберт из Огайо в 1891 году построил трехколесный автомобиль, который сгорел в том же году. А Генри Надинг из Аллентауна, Пенсильвания сконструировал четырехколесный. Весьма вероятно, что таких изобретателей было больше. Таким образом, 19 век стал расцветом изобретений различных автомобилей. История автомобиля интересна и многообразна, но самой главной ее особенностью является скоротечность. Потому что история первого автомобиля менее чем за 100 лет переросла в современную историю автомобиля [5].
Глава 2. Практическая часть материала по теме исследования
2.1 Автомобили с оборудованием для инвалидов из Японии.
Сегодня, благодаря развитым технологиям, вопрос транспортировки какой-либо группы населения решить несложно. Различные компании предлагают автомобили нескольких классов, на выбор − ассортимент большой. Перевозка людей с ограниченными возможностями связана с некоторыми сложностями, зачастую это с трудом разрешимая проблема. При перевозке инвалидов-колясочников существует много сложностей, часто больных приходится прямо в коляске завозить в салон. То есть, машина для перевозки инвалидов и людей с физическими ограничениями должна быть особенной (Рисунок 2.1.1 Приложения).
В Стране восходящего солнца сделано все, чтобы люди с ограниченными возможностями жили полноценной жизнью. Японские производители создают автомобили, предназначенные специально для людей с ограниченными возможностями здоровья на инвалидных колясках. Местный автопром выпускает конструкции, оборудованные механическими системами, достающими инвалидную коляску из багажника и подающими ее к двери водителя. Во многих моделях предусмотрены пандусы, помогающие вкатывать средство для передвижения больного внутрь.
Что нужно учитывать при выборе транспортного средства.
Первым делом нужно оценить физическое состояние человека и выяснить, подходит ли под задачу модель и размеры конкретного автомобиля? Будет ли пассажиру комфортно во время поездки? В салоне должно быть достаточно места, чтобы больной не испытывал неудобство.
Кресла в салоне должны свободно складываться или поворачиваться, необходим механический или электрический автомобильный подъемник. На переднем сидении желательно установить подлокотник или другой разграничительный элемент, позволяющий инвалиду не заваливаться на водителя в пути.
Также нужна надежная система фиксации или другие крепления, чтобы пассажира не трясло в дороге. Двери должны широко открываться или отодвигаться, для удобной посадки
Лучшие модели для перевозки людей с ограниченными возможностями:
• Малолитражки и кей-кары
В данную категорию входят относительно недорогие машины, которые отличаются своей экономичностью (малый расход топлива + низкие налоги), компактностью (легко припарковать в узком или не совсем удобном месте), маневренностью. Этой техникой человек с физическими ограничениями сможет и сам управлять, при желании (конечно, если оснастить авто дополнительно системой погрузки и средствами фиксации в пути) (Рисунок 2.1.2 Приложения).
Примерымоделей: Toyota pixis space, Honda n box, Honda zest spark, Daihatsu tanto, Nissan dayz, Suzuki spacio.
• Универсалы
Такие машины отличаются хорошей вместительностью, более объемным салоном по сравнению с первой категорией машин. Есть модели авто с 7 пассажирскими местами, есть – с 4-5 пассажирскими местами и большим базажником.
Примерыавто: Toyota Prius A, Honda Freed
• Полноценные минивэны (Рисунок 2.1.3 Приложения)
• Toyota Noah, Voxy, Esquire – главные черты: тойотовская надежность + комфортабельность для водителя и всех пассажиров. Honda Stepwgn – авто оснащено полезными системами безопасности+ красивый внешний и внутренний дизайн. В просторном салоне Nissan Serena − много места + доступная цена[6].
В любом из перечисленных автомобилей по салону также можно пройти, что позволяет легко и быстро дойти и оказать необходимую помощь перевозимому человеку с ограниченными возможностями. Третий ряд сидений во всех машинах складывается. Часто сидения можно разложить в ровный диван.
2.2 Модель автомобиля для людей с ограниченными возможностями здоровья на базе конструктора Lego Spike Prime.
Наша модель автомобиля предназначена специально для перевозки людей с ОВЗ, в частности, с проблемами опорно-двигательного аппарата (Рисунок 2.2.1 Приложения). Поэтому для въезда в автомобиль предусмотрен удобный складной пандус, который открывается и закрывается по датчику цвета (Рисунок 2.2.2 Приложения). Помощник или сам пассажир может с лёгкостью управлять данным датчиком.
По завершении посадки, человек с ОВЗ может либо сам вести автомобиль, либо предоставить это своему помощнику, по желанию. Салон оборудован всем необходимым для комфортной дороги. В свою очередь автомобиль отлично ориентируется в пространстве благодаря датчику ультразвука (Рисунок 2.2.3 Приложения), который позволяет отъезжать от препятствий и конечно же, останавливаться на светофорах.
В модели установлено:
1 Хаб от Spike Prime;
1 большой и 1 средний моторы для передвижения автомобиля;
1 средний мотор для пандуса;
1 датчик ультразвука для ориентирования на дорогах;
1 датчик цвета, с помощью которого можно сложить и разложить пандус (Рисунок 2.2.4 Приложения).
Видео нашего проекта представлено по ссылке: https://drive.google.com/file/d/1AROAscJPElUbwL8f-Vu1GEYYEMZiGQnr/view?usp=drivesdk
Заключение
В результате нашей работы над проектом мы успешно:
Познакомились с историей появления автомобиля;
Изучили изобретение электрических автомобилей и двигателя внутреннего сгорания;
Проанализировали автомобили с оборудованием для инвалидов из Японии;
Сконструировали и запрограммировали модель автомобиля для людей с ограниченными возможностями здоровья.
Список используемой литературы:
LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
Интернет источники:
www.yourcar.ru/klientam/eto-interesno/istoriya-poyavleniya-avtomobilej/
https://top-tuning.ru/data/Automobile_And_Tuning_History/
https://supportshop.ru/stati/avtomobili-s-oborudovaniem-dlya-invalidov-iz-yaponii
Приложение
Рисунок 2.1.1 – Пример автомобиля из Японии для людей с ОВЗ
Рисунок 2.1.2 – Малолитражки и кей-кары
Рисунок 2.1.3 – Полноценный минивэн
Рисунок 2.2.1 – Наша модель
Рисунок 2.2.2 – Складной пандус
Рисунок 2.2.3 – Процесс конструирования
Рисунок 2.2.4 – Работа над завершением проекта с командой