Проекты

Автоматизация поворотного предметного столика поляризационного микроскопа

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Метод» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Робототехника
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2065
Предметы: Физика, Математика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2020 года

Актуальность

Изучение свойств и состава морских донных отложений очень важно для планирования деятельности человека в Мировом океане и изучения истории нашей планеты. Одним из наиболее распространенных методов определения состава донных осадков является их изучение в виде микропрепаратов под поляризационным микроскопом. Поляризационный микроскоп позволяет изучать минеральный состав геологического образца в поляризованном свете. Анализ таких микропрепаратов – это очень трудоемкая работа, в ходе которой создается высокая нагрузка на глаза. При этом исследователь не видит полной картины сразу и делает вывод о характеристиках рассматриваемого образца на основе изучения отдельных его областей. Автоматизация процесса изучения микропрепаратов в геологии (с применением установок с числовым программным управлением – ЧПУ) позволит значительно снизить временные затраты и влияние «человеческого фактора», сохранить здоровье людей и повысить точность исследования. Методы автоматизированной цифровой микроскопии активно используются в медицине и набирают популярность в геологии.

Цель

Создание рабочего прототипа автоматизированного поворотного предметного столика поляризационного микроскопа Биомед-5П для автоматического перемещения и фотографирования геологических микропрепаратов.

Задачи

  1. Проектирование, изготовление и сборка основных конструкционных элементов автоматизированной установки и испытательного стенда.
  2. Подбор, подключение и настройка основных электронных и электромеханических компонентов.
  3. Создание программы для управления работой автоматизированного столика микроскопа.

 

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Поляризационный микроскоп
  • Поляризационный микроскоп Биомед-5П (1 шт.)
  • Препаратоводитель для микроскопа (1 шт.)
  • Цифровая фотокамера для микроскопа Altami (1шт.)
  • 3D-принтер FELIX 3.0 (1 шт.)
  • PLA-пластик, пруток, диаметром 1.75 мм (0.7 кг)
  • Многофункциональная паяльная станция
  • Персональные компьютеры
  • Одноплатный компьютер Raspberry Pi 3 Model B+ (1 шт.)
  • Плата Arduino Uno
  • Модуль для Arduino – CNC Shield v.3.0
  • Шаговые двигатели 28byj-48 (3 шт.)
  • Драйверы шаговых двигателей A4988 (3 шт.)
  • Концевые выключатели (3 шт.)
  • Соединительные провода и кабели
  • Блок питания 12В 36Вт (1 шт.)
  • Фанерный лист толщиной 10 мм и крепеж

Описание

В ходе работы над проектом авторами были спроектированы и собраны прототип автоматизированного столика поворотного столика для поляризационного микроскопа и испытательный стенд. Авторы создали программу для управления работой автоматизированного столика и провели испытания полученного прототипа на испытательном стенде и поляризационном микроскопе.

ЭТАПЫ РАБОТЫ

В ходе подготовительного этапа работы (декабрь 2019) исполнителями были прослушаны вводные лекции о работе специалистов Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН по изучению строения дна морей и океанов, а также об основных характеристиках, устройстве и области применения установок с числовым программным управлением.

Этап проектирования  (декабрь 2019 – январь 2020) включал в себя изучение основ работы в специализированном программном обеспечении для создания 3D-моделей, обсуждение разных вариантов конструкции будущей установки, подготовку эскизов деталей, создание 3D моделей, выбор оптимальных параметров печати 3D-моделей. После выполнения проектирования была проведена печать необходимых деталей на 3D-принтере, пост-обработка полученных деталей, произведена сборка рамы испытательного стенда, сборка основных конструкционных элементов установки.

Исходя из необходимости минимизации массы и стоимости установки, а также на основании параметров точности перемещения рабочих частей установки, заявленных специалистами ИО РАН, были подобраны шаговые двигатели и остальные электронные компоненты. Выполнены подключение и настройка основных электронных компонентов (январь-февраль 2020), в т.ч. загружена прошивка на контроллер установки, установлено необходимое ПО на управляющий компьютер.

После сборки установки и испытательного стенда для нее, были прослушаны лекции об основах написания программ на G-code для контроля над работой ЧПУ-установок. На основе результатов обсуждения оптимальной траектории движения рабочих частей установки была создана программа на G-code для управления работой автоматизированного столика микроскопа (февраль 2020).

На заключительном этапе работы проводились испытания полученной установки на испытательном стенде и настоящем поляризационном микроскопе (февраль 2020).

МЕТОДИКА

Работа над проектом выполнялась на базе IT-полигона ГБОУ Школа №2065 с использованием материальных ресурсов Школы. Конструкционные элементы установки (крепления шаговых двигателей, зубчатое колесо для вращения столика) и испытательного стенда (макет поворотного столика микроскопа) проектировались с помощью программного обеспечения Autodesk Fusion 360 и печатались на 3D принтере Felix 3.0 PLA-пластиком. Для создания испытательного стенда были использованы паяльные станции, станочный парк и ручной инструмент Школы.

Для реализации проекта была выбрана стандартная схема, широко используемая при создании бюджетных ЧПУ-установок (установок с числовым программным управлением): управляющий компьютер – контроллер – двигатели и концевые выключатели. Контроллер (Arduino UNO с ЧПУ-модулем расширения и драйверами шаговых двигателей) необходим для контроля перемещений рабочих частей установки и отслеживания состояния её работы. Контроллер соединен USB-кабелем с управляющим компьютером. Управляющий компьютер (Raspberry Pi 3B+) служит для загрузки рабочих программ, управления работой установки, визуализации процесса работы. На Arduino было загружено программное обеспечение (прошивка) GRBL v.1.1, находящееся в открытом доступе. К Raspberry через USB-порт подключена цифровая камера микроскопа. Программа для управления работой столика, написанная участниками проекта на G-code, построчно передается на Arduino с помощью приложения bCNC. В программу на G-code включены фрагменты скриптов на языке Python для запуска фотосъемки с применением утилиты fswebcam. Фотографии сохраняются в памяти Raspberry Pi.

Авторы проекта осуществляли проектирование, изготовление и сборку основных элементов установки и испытательного стенда, занимались созданием программы на G-code для работы установки, проводили настройку прошивки для Arduino, подбор и настройку электронных компонентов.

Результаты работы/выводы

Задачи проекта выполнены, цель проекта достигнута. Собран рабочий прототип автоматизированного поворотного предметного столика поляризационного микроскопа. Проведены испытания работы прототипа на испытательном стенде и предварительные испытания на нескольких микроскопах отечественного производства.

В ходе работы прототипа микропрепарат перемещается под объективом микроскопа с остановками через заданное расстояние (0.5-4 мм) по зигзагообразной траектории. В каждой точке остановки выполняется фотографирование. После выполнения фотосъемки поверхности всего препарата, столик микроскопа автоматически поворачивается на заданный угол и весь процесс съемки повторяется. В результате для каждого микропрепарата собирается большой объем фотографий, которые могут быть объединены в серию микрофотопанорам.

Основным недостатком прототипа является длительное время сканирования одного образца (около 7 часов, 9000 фотографий объемом более 7 ГБ). Это объясняется необходимостью выполнения фотографий в проходящем и поляризованном свете с поворотом предметного столика, чего существующие аналоги сделать не могут. Для полноценной работы полученного прототипа необходимо оставить на револьверном устройстве микроскопа только один объектив, что тоже является недостатком. Одним из возможных путей решения является замена шаговых двигателей на более дорогие и компактные, а также использование обновленной более мощной версии Raspberry Pi 4.

 

Перспективы использования результатов работы

Итоговый прототип будет использоваться учеными Института океанологии им. П.П. Ширшова для оцифровки обширной коллекции микропрепаратов, а также для изучения состава и микротекстур донных осадков. Полученные данные создадут основу для расширения области применения методов машинного обучения при исследовании состава морских донных осадков. В результатах проекта могут быть заинтересованы специалисты других  ВУЗов, академических институтов и компаний: ГИН РАН, ИГЕМ РАН, Геологический факультет МГУ, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, АО «Южморгеология».

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Работа над проектом выполнялась под научным руководством Д.Г Борисова, старшего научного сотрудника Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН). Институт океанологии предоставил поляризационный микроскоп, препаратоводитель и цифровую камеру для микроскопа.

Мнение автора

«В ходе работы над нашим проектом мы получили большой объем новых знаний и навыков, которые пригодятся нам в будущем для дальнейшей учебы и профессиональной деятельности. Участие в конференции стало для нас интересным и полезным опытом. Конференция дала возможность не только развить наши умения по представлению своей работы на большую аудиторию, но также позволила получить профессиональные советы и комментарии для улучшения проекта в будущем»