Автоматизация предметного столика поляризационного микроскопа

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 распространённых 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 трудоёмкая работа, в ходе которой создаётся 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 автоматизированного решения для поворотного предметного столика с поляризационным микроскопом Биомед-5П.

Задачи

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

Второстепенные задачи

1. Оптимизация программы (G-code) для управления ЧПУ-установками.
2. Усовершенствование механизма препаратоводителя.
3. Подбор более качественных материалов и компонентов.  

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Поляризационный микроскоп Altami
• 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 с установленным ПО
• 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 крепёж

Описание

В ходе работы над проектом авторами были спроектированы и собраны прототип автоматизированного 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 исполнителями были прослушаны вводные лекции о работе специалистов Института океанологии имени 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 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, в т. ч. загружена прошивка на контроллер установки, установлено необходимое ПО на управляющий компьютер.

После сборки установки и испытательного стенда для неё 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.

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

Результаты работы/выводы

В результате работы над проектом создан рабочий прототип автоматизированного вращающегося предметного столика поляризационного микроскопа. Под управлением специально написанной программы на G-code микропрепарат смещается под объективом микроскопа с заданным шагом по определённой траектории и фотографируется. В результате получается серия перекрывающихся фотоснимков, которые затем могут быть объединены в фотопанораму высокого разрешения.

После завершения такого фотосканирования предметный столик поворачивается на заданный угол, и съёмка повторяется. Фотографирование происходит в проходящем и поляризованном свете. Переключение между режимами происходит вручную единожды для каждого препарата.

Перспективы использования результатов работы

Итоговый прототип будет использоваться учёными Института океанологии им. П.П. Ширшова для оцифровки обширной коллекции микропрепаратов, а также для изучения состава 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

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 ‒ призёр.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Участвуя в проекте «Инженерный класс в московской школе» и конференции «Инженеры будущего», мы приобрели интересный, полезный, и уникальный опыт, а также получили множество новых знаний и навыков, которые пригодятся нам в будущем для дальнейшей учёбы и профессиональной деятельности»