logo new

Всероссийский молодежный конкурс исследовательских работ и инженерных проектов памяти лётчика-космонавта А.А. Сереброва

Показать все секции

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО РЕШЕНИЯ СИММЕТРИЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОМ

Работа посвящена разработке прототипа модели бюджетного управляемого протеза для людей потерявших конечность или часть ее с помощью симметричного повтора движений здоровой конечности. Учитывая тот факт, что люди, потерявшие руку или часть руки, не имеют возможности жить полноценной жизнью, было принято решение изготовить протез манипулятор руки на сервоприводах. В настоящее время существуют протезы косметические и функциональные (биоэлектрические, бионические). Последние имеют высокую стоимость, которые не каждый может себе позволить. Рука манипулятор на сервоприводах в стоимостных показателях гораздо ниже бионических протезов. При успешной реализации данной работы, и полной отработки всего функционала прототипа, можно существенно расширить спектр применения рассматриваемой в работе конструкции. А именно на основе этого прототипа можно создать движущийся манипулятор с двумя конечностями (руками) для нужд МЧС. Когда в труднодоступные места, невозможно отправить человека, в виду высокой опасности для его жизни, можно отправить робота, который будет управляем на расстоянии, и выполнять сложные задачи на уровне человека. Например, разбор завалов при крушении здания, при пожаре из которого надо эвакуировать людей, но доступ к ним затруднен из-за огненной преграды. Также данный проект можно использовать и в военной сфере, для разминирования. Манипулятором можно управлять на расстоянии, и выполнять действия с точностью рук человеческих. И если заглянуть в будущее, то таким манипулятором можно делать сложные операции человеку на расстоянии, когда в небольших клиниках нет нужных хирургов, а операция должна быть проведена незамедлительно. Значимость и новизна исследования Значимость данной работы весьма широка для многих групп. Прежде всего это улучшить качество жизни людям, потерявшим руку или её часть, заменив утраченную конечность на манипулятор. А также обеспечить безопасность для человека при проведении спасательных работ и работ военного характера. Данная работа отличается от других работ, проводимых в этом направлении тем, что протез-манипулятор сможет выполнять абсолютно те же задачи, что и человеческая рука, не зависимо в какой сфере он используется. Также меняя мощность сервоприводов, можем менять область применения манипулятора. Данные манипуляторы имеют высокую надёжность, в процессе эксплуатации. Манипуляторы на этой основе гораздо дешевле бионических манипуляторов. Цель и задачи проекта Целью данной работы является разработка прототипа конструкции бюджетного. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: - исследовать принципы протезирования конечностей; - изучить стоимость протезов различных производителей; - разработать прототип бюджетного манипулятора, на базе системы сервоприводов, позволяющего выполнять типовые действия — хватание, перемещение предметов. Описание хода выполнения работы Работа проходила в несколько этапов. На первом этапе выполнен прототип, была взята простая клешня, состоящая из двух бюджетных сервоприводов и клешни. Были подключены сначала микро-сервоприводыFS90 к микроконтроллеруNodeMCU и исследовано движение сервоприводов на основе гироскопа. Далее электронные компоненты были подключены к сервоприводам, установленным на клешне, которая состоит из двух «пальцев». К неподвижной части рамы жестко зафиксирован сервопривод, качалка которого опускает и поднимает ось. Крестовина в свою очередь жестко закреплена к оси и вместе с ней совершает движения вверх и вниз, из-за чего и происходит сжатие и раскрытие клешни. Управление сервоприводами происходит на основании значений углов поворота частей здоровой руки, получаемых с гироскопов и с помощью микроконтроллера NodeMCU. В которую была загружена программа (Arduino) . В результате первого эксперимента удалось настроить сжатие и разжатие, подъем и опускание клешни. Это только прототип клешни, если делать какой-то рабочий захват для реальных проектов, то придется еще немного дорабатывать чертеж, поскольку такой манипулятор не всегда удачно хватает и сжимает предметы. Но как пример и основа, от которой можно отталкиваться, данный прототип вполне подходит. На втором этапе работа велась с манипулятором, состоящим из 6-ти сервоприводов, управление которыми осуществляется с использованием четырёх гироскопов и четырёх микроконтроллеров NodeMCU, с загруженной ранее программой (Arduino). Был сделан эксперимент с большим манипулятором, на сервоприводахKS-3518 15kg, но они не работают на платеNodeMCU, так как у них другие поддерживающие системы. И пришлось заменить все сервоприводы на другие моделиDS3218mg20kg, которые работают на платеNodeMCU. Были установлены 4 сервопривода от нижней точки до точки запястья. А два сервопривода FS5106B 6kg прикреплены на клешню, там не требует большой нагрузки, поэтому были использованы другие сервоприводы. Далее были использованы липучки и были прикреплены гироскопы на кисть руки (см. рис.5), запястье, предплечье и плечо. При этом рассматривается так называемое симметричное управление, которое заключается в том, что протез-манипулятор дублирует траекторию движения здоровой руки. Данное управление реализовано на базе системы 3-х осевых гироскопов MPU-6050 или аналога MPU-9250, которые крепятся на кисть руки, запястье, предплечье и плечо в зависимости от повреждения руки, на которую устанавливается протез-манипулятор. В результате второго эксперимента удалось настроить сжатие и разжатие, подъем и опускание манипулятора. Видео испытания прототипа можно посмотреть по ссылке: https://vk.com/video75368491_456239034 Итоги работы В итоге удалось настроить управление манипулятором, состоящим из 4-ёх гироскопов, с помощью движения здоровой руки. Далее планируется разработать протез руки с использованием технологий 3D печати.