XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автоматизированное инвалидное кресло на базе конструктора Lego Spike Prime
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Люди с ограниченными возможностями являются неотъемлемой частью современного общества и должны жить социально активной жизнью. Индустрия товаров медицинского назначения уделяет особое внимание усовершенствованию инвалидных кресел - колясок, которые являются незаменимым средством мобильности и активности инвалидов.
Инвалидное кресло является самым популярным вспомогательным устройством. Оно может вернуть чувство независимости и свободы тому, кто раньше мог чувствовать себя зависимым и ограниченным.
Наличие доступа к инвалидному креслу позволяет пользователю самостоятельно путешествовать куда угодно и когда угодно. Даёт контроль над собственной жизнью и повышает уверенность в себе.
С правильно подобранным креслом пользователь может лучше передвигаться и участвовать в большем количестве физических действий, тем самым улучшая свое здоровье. Например, если человек с ограниченными возможностями планирует использовать своё кресло в качестве основной формы передвижения, он может выбрать автоматизированное кресло. Это облегчает некоторые физические усилия, которые приходится преодолевать при перемещении инвалидного кресла в течение длительного времени.
Возможность комфортно передвигаться улучшает психологическое здоровье пользователя, поскольку он может контролировать свою жизнь и наслаждаться свободой, что обеспечивает наличие собственного мобильного устройства.
Поэтому мы озадачились вопросом разработки современной инновационной модели инвалидного кресла.
Актуальность: в свете событий последних лет, когда России приходится противостоять нацизму в рамках СВО, неизбежно растёт количество людей с ограниченными возможностями. Причём, в их числе не только военные, но и мирные люди. Поэтому уже сейчас необходимо делать всё, чтобы облегчить нашим героям и пострадавшим гражданам дальнейшую жизнь и сделать её максимально комфортной.
Цель: разобрать на базе конструктора Lego Spike Prime модель автоматизированного инвалидного кресла, которое позволило бы значительно облегчить быт и повседневную жизнь людям с ограниченными возможностями.
Задачи:
-
рассмотреть, какие бывают типы и виды инвалидных кресел;
-
изучить конструктивные особенности инвалидных кресел;
-
выделить преимущества инвалидных кресел с электроприводом;
-
изучить инновации на рынке инвалидных кресел;
-
создать модель «Автоматизированного инвалидного кресла» на базе Lego Spike Prime.
В качестве источников информации мы использовали различные интернет – ресурсы и научно – популярную литературу. При создании проекта мы руководствовались знаниями, полученными на занятиях «Основы робототехники» в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни» в городе Уфа.
Глава 1 Общие сведения
1.1 Типы и виды инвалидных кресел
Инвалидные кресла разделяются на два основных вида:
-
Каталки - для транспортировки людей с временной потерей подвижности. Широко применяются в медицинских учреждениях, они просты в использовании, легко поддаются санитарно - гигиенической обработке и износоустойчивы. Изделия данного вида имеют существенное ограничение – длительность пребывания в кресле-каталке не более трёх часов единовременно (Рисунок 1.1.1, Приложение).
-
Кресла - коляски - средства передвижения для инвалидов не требующие посторонней помощи. Человек с ограниченными возможностями самостоятельно управляет коляской, что позволяет ему быть мобильно независимым. Конфигурация изделий представляет собой удобное ортопедическое кресло на колесах с дополнительными опциями управления. Предназначены для постоянного использования в домашних и уличных условиях (Рисунок 1.1.2, Приложение). В зависимости от диагноза, медицинских показаний и личных предпочтений подбирается тип и необходимая комплектация.
Основные типы инвалидных кресел-колясок массового производства:
-
Классические с ручным приводом - кресло с парой больших колес и дополнительной парой маленьких, обеспечивающих маневренность. Управление таким типом кресла-коляски осуществляется вручную, увеличивая или уменьшая вращение больших колес, которые удобно расположены под руками. В базовую комплектацию изделий входит подножка, которая может быть съемная, съемно-откидная или несъемная, в зависимости от модели. Современные модели, при необходимости можно дополнить подлокотниками и подголовниками.
-
Активные – более легкая и усовершенствованная конструкция модели с ручным приводом для инвалидов, ведущих активный образ жизни. Занятия спортом, длительные передвижения и даже походы в горы для инвалидов – колясочников из мечты превратятся в реальность, если пересесть на модель этого типа. Являются универсальными моделями спортивных инвалидных колясок, которые изготавливаются индивидуально и хорошо зарекомендовали себя на паралимпийских играх, что дало толчок ввести их в массовое производство и расширить модельный ряд.
-
Кресло – коляска рычажного типа представляет собой классическую модель усовершенствованную механическим элементом управления – рычагом. Движение колес, а также торможение осуществляется с помощью поступательных движений рычагов, которыми управляет инвалид. Использование такой модели требует достаточно развитую мускулатуру рук. Может быть оснащена одним или двумя рычагами, в зависимости от модели. Износоустойчивая конструкция предназначена для длительных прогулок по неровной поверхности дорог, а так же для тех, кто стремится поддерживать достойную физическую форму.
-
С электроприводом – основной особенностью данного типа является автоматическое управление с помощью джойстика, который встроен в подлокотник коляски. В комплектацию изделия входят аккумуляторные батареи, которые обеспечивают автоматизированный процесс движения. Современные дизайнерские решения и новейшие разработки превратили инвалидную коляску в автоматический мобильный комплекс, достигающий скорости движения до 10 -15 км/ч. Автоматическая подстройка угла спинки и подлокотников, подстраиваемые подножки и подголовник, вертикализатор и многое другое может довести стоимость кресла – коляски до стоимости автомобиля.
-
Для детей с ДЦП - несмотря на название, данная конструкция, все - таки, относится к виду кресел-каталок, т.к. не предусматривает самостоятельное управление. Внешний вид разрабатывался с максимальным приближением к обычной детской коляски, чтобы не привлекать особого внимания окружающих. В комплектацию входят абдукционная подушка, капюшон и дополнительные фиксирующие ремни, обеспечивающие безопасность ребенка с учетом специфики заболевания.
Помимо вышеперечисленных видов и типов, существует еще несколько вариаций:
-
Для дома или для улицы. Основное различие в конструкции колес и амортизации при движении по неровным поверхностям. Например, для передвижения по улице рекомендуется приобретать коляски с пневматическими колесами;
-
Детские и взрослые модели различаются размером и, в некоторых случаях, дизайнерскими решениями;
-
Кресла – коляски с высокой спинкой комфортны для людей, которые большую часть времени проводят в коляске;
-
Санитарные кресла – коляски, предназначены для оправления естественных нужд и принятия водных процедур.
1.2 Конструктивные особенности инвалидных кресел
Несмотря на разнообразие типов таких средств для передвижений, список основных составных частей остается неизменным. Это колеса, сиденье, подножки, подлокотники и рама. Приводит в движение инвалидную коляску механический или электрический привод. Наиболее простая конструкция предполагает передвижение путем самостоятельного прокручивания колес руками.
Также у большинства моделей есть прикрепленные к спинке сидения ручки, позволяющие осуществлять транспортировку человека. Остальные детали конструкции достаточно вариативны. Существуют складные средства передвижения, прогулочные и активные модели.
Большинство активных и прогулочных моделей считаются универсальными. Многие инвалиды при этом пользуются сразу двумя устройствами: комнатным и дорожным. Приводит в движение инвалидную коляску ручной или электрический привод. В первом случае человек сам «толкает» устройство при помощи рук, во втором — коляска двигается самостоятельно и управляется пультом. Также у механических моделей могут быть специальные рычаги, облегчающие движение. Выбирать механизм следует с учетом собственных физических возможностей и целей. Если человек не может постоянно двигать коляску руками и не хочет путешествовать только с посторонней помощью, рекомендуется обратить внимание на устройство с электрическим приводом. При этом не следует забывать про вес таких моделей и необходимость периодически заряжать аккумулятор.
У инвалидной коляски есть 4 колеса, размер и конструкция которых определяется предназначением средства передвижения. Задние колеса всегда более крупные и массивные. Передние при этом могут быть пневматическими или цельнолитыми. Если человек передвигается по дому, подойдут цельнолитые колеса. Пневматическая конструкция больше подходит для прогулок и преодоления препятствий, поскольку она смягчает неровности.
Комфортно перемещаться на инвалидной коляске не получится без надежных тормозов. Они могут быть рабочими и стояночными. Первые требуются для остановки или уменьшения скорости. Они располагаются по бокам колес и напоминают рычаги. Стояночные тормоза расположены внизу и по своему виду похожи на педали. Нажатие позволяет поддерживать устойчивость во время стоянки. Оптимальный выбор — модель с двумя типами тормозов.
Другие особенности инвалидных колясок:
-
Материалы изготовления. Чаще всего такие приспособления производят из стали, поскольку она обладает достаточной прочностью. Реже встречаются алюминиевые, карбоновые и титановые модели, обладающие легкостью и надежностью.
-
Подлокотники. Они могут быть откидными, съемными или фиксированными. У отдельных моделей настраивается высота их расположения. Компрессионные подлокотники повышают комфорт.
-
Подголовники и ремни безопасности. Если управлять устройством будет ребенок с ограниченными возможностями, рекомендуется приобрести устройство с ремнем безопасности для закрепления туловища и предупреждения падений. Подголовники повышают уровень комфорта.
-
Материал обивки сидений. В большинстве случаев используется искусственная кожа, которую можно легко очищать от загрязнений. Обивка обладает гигроскопическими свойствами.
-
Защита от опрокидывания. Речь идет о вспомогательной опорной паре колес, дающих возможность человеку без труда преодолевать препятствие и при этом не падать. Они прикреплены к конструкции сзади.
-
Развал колес. Этот параметр обозначает угол расположения колес. Если такая особенность конструкции отсутствует, они расположены вертикально. У кресел-колясок с подобной функцией колеса расходятся вниз друг от друга, из-за чего появляется дополнительная защита от опрокидывания.
1.3 Особенности инвалидных кресел с электроприводом
Инвалидные коляски с электроприводом, также известные как электроколяски или электрические инвалидные коляски, обладают уникальными конструктивными особенностями, отличающими их от обычных механических колясок. Главными отличиями являются наличие электромотора и аккумуляторов, а также системы управления (Рисунок 1.2.1, Приложение).
Инвалидные коляски с электроприводом оснащены электромоторами, которые приводят колеса в движение. Моторы могут быть размещены в различных частях конструкции, например, в задних колесах.
Электроколяски используют аккумуляторные батареи для питания электромотора. Аккумуляторы могут быть разной емкости и типа, что влияет на дальность хода и время работы.
Управление электроколяской осуществляется с помощью джойстика, который обычно размещается на подлокотнике. Некоторые модели могут иметь более сложные системы управления, например, сенсорные панели или голосовое управление.
Рамы электроколясок обычно изготавливаются из прочных и легких материалов, таких как алюминиевые сплавы или сталь. Это позволяет сделать коляску более легкой и маневренной.
Колеса могут быть пневматическими (для использования на улице) или цельнолитыми (для дома). Выбор типа колес зависит от предполагаемого использования коляски.
Электроколяски могут быть оснащены различными дополнительными функциями, такими как подъемники, системы автоматического торможения, регулируемые подлокотники и подножки, вертикализаторы, и системы безопасности.
Различия между типами электроколясок:
-
Уличные электроколяски:
Предназначены для использования на улице и на неровных поверхностях. Они оснащены пневматическими колесами и более мощными моторами, чтобы преодолевать препятствия.
-
Электроколяски для дома:
Предназначены для использования внутри помещений и на ровных поверхностях. Они имеют меньший размер и вес, а также цельнолитые колеса.
-
Электроколяски активного типа:
Предназначены для активных пользователей, которые любят перемещаться по разным типам местности. Они имеют легкую раму, регулируемые сиденья и более мощные моторы.
-
Детские электроколяски:
Предназначены для детей с ДЦП или другими заболеваниями, которые затрудняют перемещение. Они могут быть оснащены системами фиксации и другими функциями, обеспечивающими безопасность ребенка.
В целом, инвалидные коляски с электроприводом являются удобным и эффективным средством передвижения для людей с ограниченными физическими возможностями, позволяя им быть более независимыми и активными.
1.4 Инновации на рынке инвалидных кресел
Инвалидные коляски, как средство передвижения для людей с ограниченными физическими возможностями, претерпевают значительные изменения благодаря инновациям и новым технологиям. В последние годы наблюдается стремительное развитие конструкций электрических инвалидных колясок, позволяющее пользователям исследовать окружающий мир с большей независимостью. Новейшие достижения в дизайне и функциональности делают эти транспортные средства всё более удобными и доступными для людей с разными нуждами.
Современные электрические инвалидные коляски становятся меньше по размеру и легче в управлении. благодаря усовершенствованным системам привода, увеличенной дальности хода и высокой мобильности, они могут использоваться как в помещениях, так и на улице. Это расширяет горизонты для пользователей, позволяя им ощущать большую степень свободы. Одной из ключевых особенностей современных моделей является их повышенная устойчивость и долговечность, что делает их идеальными для активного использования на свежем воздухе. Понижение риска застревания в сложных условиях побуждает разработчиков продолжать эксперименты в этой области, стремясь создать абсолютно независимые транспортные средства.
Одной из уникальных особенностей новых инвалидных колясок является способность задних колёс обеспечивать легкость вставания из сидячего положения. Кресла, созданные с использованием современных материалов и технологий, могут легко преодолевать трудные поверхности, такие как грязь или гравий. Основной принцип управления остается простым — пользователь может менять положение своего тела, чтобы перемещать коляску без необходимости в джойстике. Эти новые модели включают коляски танкового типа, которые благодаря своему протектору способны справляться с песком, снегом и грязью. Данная инновация значительно расширяет диапазон мест, где инвалидные коляски могут быть использованы, предоставляя возможность путешествовать даже по самым трудным ландшафтам.
На горизонте появляются еще более прогрессивные решения — самоуправляемые инвалидные коляски. В таких моделях используются встроенные камеры, позволяющие коляске самостоятельно обнаруживать и избегать препятствия, например, стеклянные двери. Это значительное достижение особенно полезно для людей с парализованными нижними конечностями, так как оно позволяет избежать необходимости в управлении с помощью рук.
Рынок инвалидных колясок предлагает всё больше компактных и складных моделей, которые облегчают процесс транспортировки и хранения. Складные коляски со специальным дизайном, позволяющим скрыть сиденье, спинку и подставку для ног между колесами, становятся особенно актуальными для городских условий, где пространство и мобильность имеют огромное значение. Кроме того, более эргономичные решения, такие как возможность прикрепления детской коляски к инвалидной, открывают новые горизонты для родителей с ограниченными возможностями, позволяя им проводить время с детьми вне дома.
Одной из самых смелых инноваций в области инвалидных колясок является возможность управления с помощью телепатии. Пользователь, надев специальную гарнитуру, может управлять движением коляски, направляя её в нужную сторону просто сосредоточившись на цели. Это открывает новые горизонты для людей с высокими степенями инвалидности и делает возможным более независимое передвижение.
Несмотря на все эти инновации, не все новые технологии будут практичны для каждого пользователя. Есть ограничения, которые касаются не только физических возможностей, но и доступа к таким устройствам.
Высокотехнологичные инвалидные коляски могут быть дороги в производстве и, следовательно, не всегда доступны для широкого круга пользователей. Более того, некоторые модели могут не подходить для людей с определенными медицинскими состояниями, такими как мышечные расстройства.
Глава 2 Создание модели автоматизированного инвалидного кресла на базе конструктора Lego SpikePrime
2.1 Конструкция модели
Для создания нашей модели автоматизированного инвалидного кресла мы использовали конструктор Lego Spike Prime, так как он прост в эксплуатации и имеет множество интересных возможностей.
В основе нашего робота используется один смартхаб и три мотора. Два малых мотора приводят в движение задние колеса инвалидного кресла, а большой мотор используется для поворота передних колес. Смартхаб кроме своей основной функции связи созданной модели с компьютером выполняет функцию джойстика для пользователя инвалидным креслом: с его помощью запускается движение и производится управление креслом вправо и влево. (Рисунок 2.1.1, Приложение).
Наша инновационная модель инвалидного кресла создана не только для пользователей с ограниченными возможностями движения, но и для пользователей с ограничением зрения. Для этого мы использовали два датчика, а именно: датчик расстояния и датчик цвета. Датчик расстояния необходим для того, чтобы кресло различало препятствия перед собой и вовремя перед ними останавливалось. Датчик же цвета нужен, чтобы различать сигналы светофора, и не давать модели выезжать на проезжую часть на красный свет. Поэтому у нашей модели довольно высокая спинка, и датчик установлен высоко на спинке инвалидного кресла.
2.2 Управление моделью с помощью программного обеспечения
Управление нашим инвалидным креслом на базе конструктора Lego Spike Prime происходит при помощи программного обеспечения Lego Spike Prime (Рисунок 2.2.1, Приложение). Конструкция начинает функционировать, когда приводятся в движение два малых мотора. Для этого нужно запустить программу с помощью компьютера или кнопки включения/выключения на смартхабе.
Мы установили скорость моторов для движения 50%. Если на пути нашего кресла встречается препятствие ближе, чем 25 см, датчик расстояния это видит, модель останавливается и начинает двигаться назад на 30 см. В это время можно воспользоваться кнопками вправо/влево на смартхабе для осуществления маневра.
Также их можно использовать в любой момент во время движения, для чего в нашей программе есть отдельные блоки, которые включают в себя управление большим мотором, необходимым для поворота передних колес. Поворот колес мы установили на 15%, затем программа ждет 5 сек. и мотор переходит обратно в положение 0 для выравнивания колес.
Также в код программы мы добавили датчик цвета. Когда он видит красный сигнал светофора, кресло останавливается и стоит до тех пор, пока сигнал светофора не сменится на другой свет (Рисунок 2.2.2, Приложение).
Заключение
Прогресс не стоит на месте, и лучшие умы создали для людей с ограниченными физическими возможностями множество полезных устройств, которые здорово выручают их в повседневной жизни. Изобретения помогают инвалидам справляться с бытовыми проблемами, работать, общаться, заниматься творчеством.
Есть много концептов самых невероятных устройств для инвалидов. Большинство из них так никогда и не дойдет до потребителей. Но некоторые разработки уже не только запущены в массовое производство, но и успели найти своих благодарных пользователей.
В своей работе мы подробно изучили виды и особенности инвалидных кресел – колясок, а также их преимущества и недостатки. Не все ныне существующие модели кресел способны эффективно удовлетворить потребности людей с ограниченными возможностями. Мы разработали свою модель инвалидного кресла, которая помогает человеку решить ряд проблем, связанных со здоровьем, и оптимизирует процесс передвижения, особенно в условиях внешней среды. Причем модель данного инвалидного кресла создана для пользователей, у которых помимо ограничений двигательного аппарата есть ещё ограничение зрения.
Таким образом, мы можем сделать вывод, что разработанная нами модель даёт ряд преимуществ перед ручными и даже обычными автоматизированными инвалидными креслами.
Список использованной литературы:
-
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn
-
Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.
-
https://a-yazdorov.ru/info/articles/vidy_i_tipy_invalidnykh_kresel_kolyasok/
-
https://www.xn--80ahcbpmjl7b5a.online/post-ru/vidy-invalidnyh-kolyasok/
-
https://www.miloserdie.ru/article/chudo-lozhka-smart-chasy-ekzoskelet-top-5-izobretenij-dlya-lyudej-s-invalidnostyu/
-
https://oktkcson.ru/proekty/shkoly-ukhoda-za-pozhilymi/primenenie-tekhnicheskikh-sredstv-reabilitatsii/
Приложение
Рисунок 1.1.1 Рисунок 1.1.2
Рисунок 1.2.1
Рисунок 2.1.1
Рисунок 2.2.1
Рисунок 2.2.2