Вспомогательный комплекс по работе опорно-двигательного аппарата

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Вспомогательный комплекс по работе опорно-двигательного аппарата

Стырский А.А. 1
1Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Юргамышская средняя общеобразовательная школа
Кандакова Т.В. 1
1МКОУ Юргамышская средняя общеобразовательная школа
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Уже долгое время люди пытаются усовершенствовать своё тело посредством костюма, дающий носителю прибавку к силе, скорости и другие разнообразные способности. Применение данного типа технологий облегчает для человека выполняемую работу и дает делать то, что невозможно, с имеющимися у него силами.

Сам комплекс представляет из себя подобие «второго наружного» скелета человека с механизмами, устроенными по другим канонам анатомии нашего тела, но выполняющие ту же роль, что и мышцы.

Цель

Это создание мной оригинального устройства, по показателям не уступающий другим моделям, подобных работ других авторов и компаний. Оно должно быть легкое, мощное и иметь достаточную подвижность. И, конечно же, все должно быть в рамках разумной цены.

И для выполнения цели по созданию этого проекта был поставлен ряд задач, необходимых для наиболее эффективной работы устройства.

Задачи

Малое потребление сжатого воздуха, для экономии электроэнергии;

Максимальный угол разгиба ноги оператора;

Способность поднимать предметы массой 25-30 кг без усилий.

Где и кем используется в мире

Он полезен людям, чьи физические способности ограничены по причине случившейся травмы. При восстановлении организма, использование данного комплекса может ускорить курс реабилитации. В труднодоступных местах и аварийных ситуациях, применение становится решающим фактором при тех или иных условиях.

Участвующие, в походах на большие расстояния на местности не проходимой для большинства видов транспорта, оснащённые таким видом технологии, даст возможность переносить больше снаряжение без серьезных затрат на энергию оператора (речь идет о переходах по горам).

Виды представленного устройства в мире

Существует множество вариаций создания модели экзокостюмов, делящиеся на активные и пассивные.

Пассивные. Подразумевают подвижный каркас вокруг человека, призванный не дать ему, получить травмы, связанные с переломом костей, вызываемые чрезмерной нагрузкой. Они не имеют собственного источника энергии и как правило, не способны действительно приумножать кол-во принимаемой нагрузки.

Одним из примеров в данном классе является разработка компании Ростех.

Активные. Представляют собой механизмы, установленные на элементах каркаса вокруг человека, которые при работе от источника энергии создают усилие, передающее на зоны повышенной нагрузки.

Основа проекта

Проект основывается на работе механизма, где главным его элементом является пневмоцилиндр, создающий усилие для повышения уже имеющихся у оператора. Механизм крепится к самой ноге во всю её длину и производит сгибание-разгибание конечности в месте коленного сустава. Необходимо чтобы конструкция имела опору на землю и жесткую фиксацию на теле и конечностях. Для этого устанавливается связь железа с нашим телом. В точках, где прилагается наибольшее усилие механизма, установлены упоры, которые создают поддержку частям нашего тела, на которые и будет приходить та дополнительная сила.

Всё это работает за счёт аппарата, расположенного на спине оператора, создающий сжатый воздух необходимый для питания пневмоцилиндров.

Это была активная часть комплекса, состоящая в связке с пассивным элементом.

Часть в виде скобы, опоясывающая бедра человека, крепит к себе два механизма, установленные на обеих ногах. На ней установлена опора, проходящая по линии позвоночника, со стороны спины.

В плечевой зоне связаны опора по позвоночнику и балка. С балкой связаны свободные тяги, проходящие по руке и играющие роль в работе при поднятии груза. В этом случае вся масса будет направлена на «второй скелет».

Конструкция механизма

Важной и оригинальной частью всего проекта является конструкция механизма опорно-двигательного аппарата. Он представляет собой систему рычагов, связанных между друг другом в необходимом порядке, приводимые в движение силой, оказываемой пневмоцилиндром. Параметры пневмоцилиндра comozzi 27U2A50G0100C05:

Режим работы: двусторонний, что позволяет использование на сжатие и разжатые под управлением;

Диаметр поршня 50 мм;

Ход штока 100 мм;

Рабочее давление 1-10 бар;

Выполнен из нержавеющей стали и алюминия.

Компоненты конструкции

Профиля, сцепленные между собой осевым соединением в месте сгиба колена;

Рычаг №1, L1:L2=1:1=100:100(mm);

Рычаг №2, L3:L4=1:2=65:130(mm);

Стальная пластина, L5= 55(mm);

Тяга, отвечающая за движение рычага №1, L6=350(mm);

Вылет для опоры, L7=100(mm);

Пневмоцилиндр (S), в закрытом положении L=290mm, в открытом L=390mm.

Принцип работы

Вся суть изобретения заключается в активной части, которая обеспечивает дополнительное усилия для помощи человеку в работе или обычном передвижении, в случае использовании комплекса для реабилитации или обычной возможности просто ходить, если человек этого не может по тем или иным обстоятельствам.

Алгоритм работы:

На пневмоцилиндр по полиуретановым трубкам поступает воздух под давлением в одну из секций. (Из другой секции пневмоцилиндра в это время выходит воздух, который был там ранее);

Шток выдвигается (если нужно разогнуть ногу) и оказывает силу на плечо L4 рычага№2 и на L7 через пластину L5;

Плечо L4 двигается вниз, а плечо L3 двигаясь вверх толкает плечо L2 рычага№1 через тягу L6;

Плечо L1 двигается вниз вместе с пневмоцилиндром, для увеличения общего хода штока;

При давлении на часть L7, нижнее профиль начинает движение по окружности вокруг оси сгиба профилей. И обратный этому алгоритм при сгибе.

Но почему же просто не использовать пневмоцилиндр с большим ходом штока? Во-первых, чем больше ход поршня со штоком в пневмоцилиндре, тем больше его объём, а, следовательно, полезная энергия теряется на увеличенном расходе сжатого воздуха. Во-вторых, на полное раскрытие пневмоцилиндра с большим объёмом требуется больше времени, чем на раскрытие того, который использован в это проекте. В-третьих, масса пневмоцилиндра с большим ходом поршня больше, чем масса того, который использован в это проекте. А при такой конструкции удалось добиться установки пневмоцилиндра меньшего объёма с углом сгиба, который можно получить только с пневмоцилиндром, у которого ход поршня в больше. За счёт меньшего объёма снижается уровень расхода воздуха.

Испытания

Прототип №1 (дерево).

Остановившись на системе рычажного механизма данного вида, рассчитал соотношение всех величин до достижения необходимых показателей. После проделанных вычислений, приступил к реализации прототипа из древесного материала, чтобы протестировать работоспособность.

Прототип №2 (металл)

Экспериментальным путём, на прототипе была установлена точка приложения силы, направленная вверх для удержания и противодействия оказываемому весу (включая оператора и дополнительные груз или снаряжение).

В этом месте было сделано отверстие под 10 мм стальной стержень, для подвеса предметов, фиксированной массы, в качестве нагрузки.

Установив прототип механизма на твердую опору в рабочее положение, на стержень подвешивались грузы, с последующим увеличением массы. В ходе испытаний записывались показатели давления воздуха в системе при определённой нагрузке.

Стабильное показатели силы F = 200 Н, при давлении в пневмоцилиндрах P = 5 кг/см2. Максимальный показатель F = 300 H, при давлении в пневмоцилиндрах Р = 7 кг/см2. Учитывая, что система состоит из двух механизмов на обе ноги, выходит 400-600 Н составляет общий потенциал комплекса. Но это не предел, т.к. строение позволяет переносить объекты, масса которых превышает это значение. Когда механизм раскрыт на полную или приближён к этому положению, то оказываемая нагрузка не способна подавить его. Благодаря этому можно возлагать нагрузку до 90 – 110 кг.

После завершения испытаний на прототипе не было обнаружено следов деформации, трещин, сколов или других признаков износа.

Модуль создания сжатого воздуха

Для работы механической части необходим источник сжатого воздуха. И для этого был спроектирован и создан модуль, в котором содержатся компоненты, обеспечивающие создание и распределение сжатого воздуха.

Составные компоненты:

Компрессор;

Ресивер для сжатого воздуха;

Регулятор давления;

Тройник;

Пневмораспределитель 5/3, 2 шт.;

Блок управления пневмораспределителями;

Полиуретановые трубки;

Аккумуляторная батарея 18В на 6 Aм/ч;

Цанговые фитинги на пневмораспределители

Процесс работы модуля

После включения питания, блок (№6) считывает по датчику давления информацию.

Если в ресивере (№2) давления нет или оно мало, включается компрессор (№1) и работает до момента достижения максимально допустимого значения.

Далее, воздух под высоким давлением, проходя по трубкам через регулятор (№3), становится приемлемым для дальнейшего использования.

Через тройник (№4) воздух поступает сразу на оба пневмораспределителя, где сохраняется до момента начала движения механизма.

В момент начала движения ноги выбирается направление, куда она движется (сгибается или разгибается). Если необходимо разогнуть левую ногу, то блок (№6) подает ток на канал «А» электромагнитной катушки пневмораспределителя (5).

Через вход Y проходит воздух под давлением и выходит через канал х1 попадая в пневмоцилиндр. А так как пневмоцилиндр двунаправлен, воздуху из второй части цилиндра нужно выйти. А особенность этих пневмораспределителей заключается в том, что, когда открыт один канал на подачу (X), другой открыт на сброс (Z).

Как только нога достигла нужного положения, ток на катушку отключается, и каналы пневмораспределитель закрывается.

Все это укомплектовано в ранец, носящийся на спине.

Управление

Одна из важнейших тем этого проекта, т.к. активность костюма не будет задействована без соответствующих органов управления.

Задачи:

Должно быть просто в использовании;

Не мешать основной деятельности;

Для этого проекта самым оптимальным решением оказалось использование датчиков регистрации мышечных сокращений, установленных в области четырёхглавой мышце бедра. Сигналы с датчиков поступают на контроллер, где уже в соответствии с прописанной программой выполняется то или иное движение.

Такой метод должен автоматизировать процесс использования комплекса.

Компоненты

Микроконтроллер Atmega 328;

Модуль ЭКГ AD8232;

Кабель-проводник;

Силиконовые электроды.

Принцип действия

Для нормальной работы выделено 5, получаемых с датчиков, значений, при которых можно будет управлять устройством. Сделано это из-за нестабильности получаемых сигналов. Значения колеблются в размазанном диапазоне. И можно выделить 3 наиболее логичных значения, которые моно использовать для работы программы.

Состояние покоя, сигнал от 0 до 170;

Медленное движение, сигнал от 200 до 600;

Полная мощность, сигнал от 700 до 1023.

Разрывы между потенциальными значениями необходимы для защиты от скачков на границе показаний датчиков.

В состоянии покоя, когда человек не совершает каких-либо движений, система должна оставаться с полностью закрытыми каналами подачи воздуха на пневмоцилиндры.

Как только человек начал свою активность и просто шагает, то по программе микроконтроллер подает на пневмораспределитель ток и открывает необходимые каналы, а так как установлен регулятор давления, то движения будут уравновешенными и не такими быстрыми.

Но если требуется приложить усилия для поставленной задачи, то по программе микроконтроллер подает на пневмораспределитель ток и открывает необходимые каналы, параллельно включив компрессор для увеличения давления в системе. Этот режим включается после 3 секунд заданного значения, во избежание неконтролируемого движения при случайном действии.

Краткая характеристика

Общая масса комплекса

13,5 кг

Развиваемая сила

400-600 Н

Масса нагрузки

90-110 кг

Длительность работы (теоретически)

40 мин

Угол сгиба ноги

90о

Аналоги

В настоящее время существует несколько рабочих моделей производственного образца, основанные на работе пневматике.

 Lockheed Martin выпустила экзоскелет HULK, способный дать оператору поднимать грузы до 90 кг (учитывая, что этот показатель суммируется с человеческими физическими способностями). Развиваемая скорость с нагрузкой 5 км/ч и кратковременная 16 км/ч, а продолжительность работы 1 час заявляют американцы. Применяется в военной промышленности для облегчения переносимого снаряжения и в свободной продаже встречается редко и его стоимость 20-30 тыс. долларов США.

Другие же экземпляры подобного рода костюмы делают люди, такие же как я, но их возможности и характеристики, не говоря уже о стоимости, остаются в секрете и о них мне мало что известно.

Но существуют и электромоторные модели экзокостюмов.

PowerLoaderLight от компании Panasonic имеет только нижнюю активную часть. Его масса составляет 20 кг, а развиваемое усилие до 30 кг.

Стоимость данного аппарата составляет 223 000 $ или около 13 380 000 руб.

Бюджет

Наименование

цена (руб)

пневмоцилиндр camozzi

6000*2

пневмораспределители airtac

2800*2

пневморегулятор airtac

600

ресивер (самособранный)

500

тройник для пневмо-трубок

150

полиуретановая трубка, 6 м

85*6

проф труба 20*40, 6 м

600

болты, гайки, шайбы

150

компррессор

1500

цанговые фитинги

60*6

аккумуляторы

2000

электроника

800

Итого

24920

Как можно видеть, мне удалось построить проект в десятки, а то и в сотни раз дешевле аналогов.

Хотел бы еще сказать о том, как я создавал свой проект. Постройку основного прототипа из металла (были еще 3 тестовых, деревянных, разных типов), заказы необходимых деталей и сами материалы стоили мне моих собственных денежных средств, т.к. спонсоров нет.

Заключение

В завершении своего проекта скажу, что я создал уникальный аппарат, который удовлетворяет всем целям, поставленным в его начале. Он получился относительно легким для своей категории, вместе с тем он не уступает в силе другим похожим устройствам, как на пневматическом ходу, так и электрическим версиям.

Я и дальше буду работать над ним и совершенствовать, чтобы его мог использовать каждый, кто нуждается в данном типе улучшения или дополнения своего организма.

Просмотров работы: 24