Проекты

Манипулятор в виде человеческой руки с отдачей ощущений

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Интеллектуальные робототехнические системы, беспилотные аппараты» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 7
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В современном мире существует большое количество манипуляторов в виде человеческой руки, а также манипуляторов, имитирующих её анатомию, цена на большинство из них достаточно высока, либо технологии в принципе недоступны обычным потребителям или имеют узкую производственную специализацию.

Актуальность проекта обусловлена следующими факторами: простота в изготовлении, дешевизна, возможность применения практически в любых средах, возможность выполнения огромного количества задач различной сложности. Фактически манипулятор дублирует движения оператора в экзоскелете и является полноценным аналогом человеческой руки.

Цель

Разработка и создание манипулятора с отдачей ощущений, имеющего относительно невысокую стоимость и при этом обладающего простотой в управлении.

Задачи

  1. Изучение похожих проектов и разработок.
  2. Разработка алгоритма работы манипулятора и системы отдачи ощущений.
  3. Создание чертежей и 3D-моделей.
  4. Сборка прототипа.
  5. Отладка выявленных неисправностей.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • 12 сервомоторов разной мощности
  • 2 платы Arduino UNO
  • макетная плата
  •  каркас из пластика
  • 3D-принтер Flying Bear Ghost 5
  • персональные компьютеры с установленным ПО (Autodesk Inventor)

Описание

На основе чертежей с сайта thingiverse была разработана собственная конструкция манипулятора и экзоскелета для оператора, в том числе разработаны приводы экзоскелета с учетом доступных материалов, установлены отличные от предлагаемых thingiverse сервомоторы.

После этого началась работа над чертежами и 3D-моделями. Основные чертежи 3D-модели были сделаны в САПР Inventor.

3D-печать проводилась на принтере Flying Bear Ghost 5 из пластика PLA. По завершении печати была начата сборка прототипа.

Полученный нами прототип выполняет все поставленные нами функции, реализация которых возможна в наших условиях. Однако, был выявлен ряд несущественных недостатков, которые можно устранить при последующей работе над проектом.

Ключевым элементом дальнейшей доработки является проектирование и реализация гидравлической системы отдачи ощущений, в первую очередь - создание чертежей и разработка технологии функционирования и требований к составляющим элементам, по возможности (насколько позволит доступное в школе оборудование) - изготовление опытного образца и отладка.

Результаты работы/выводы

Результатами проектной деятельности являются чертежи и 3D-модели, технологические доработки экзоскелета оператора, разработаны алгоритмы работы программ и плат Arduino, проведена отладка механизмов и теоретическое построение гидравлической системы.

В результате работы был получен прототип, алгоритм работы которого состоит в последовательном считывании положения сервомоторов на руке человека, его передаче на манипулятор.

Техника работы манипулятора уникальна: она приближена к биологическому устройству руки человека: нити – сухожилия и сервомоторы – мышцы, что обеспечивает интуитивно понятную для оператора обратную связь с манипулятором.

Для улучшения обратной связи между манипуляторм и оператором разработаны принципы работы гидравлической системы обратной связи. Гидравлическую систему обратной связи предполагается детально проработать и реализовать в рамках дальнейшего совершенствования проекта. На данном этапе реализация невозможна в связи с отсутствием доступа к необходимым технологиям, в первую очередь - к сварке полиэтилена.

Перспективы использования результатов работы

Гидравлическую систему обратной связи предполагается детально проработать и реализовать в рамках дальнейшего совершенствования проекта. На данном этапе реализация невозможна в связи с отсутствием доступа к необходимым технологиям, в первую очередь - к сварке полиэтилена.

В ходе доработок планируется устранить некоторые несущественные недостатки: “шумы” соединительных проводов, снижение нагрузки на мышцы оператора, соединение деталей из различных типов пластика.

 

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РУДН

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

Это был важный и интересный опыт работы в команде над сложным проектом, который будет использоваться настоящими учеными.