Научно - исследовательская работа
Тема: «Рука-помощник»
Бобзей Милана
Команда «Мастерята»
Научный руководитель:
Верболь О.А.
2024 год
Введение
Идея создания роботов увлекала человечество с незапамятных времен. Архимед построил приспособление «Лапа Архимеда» – аналог современной роборуки (рисунок 1).
Об искусственных конечностях задумывались еще XIX-ом веке. Так, например, рабочему, потерявшему руку, на плечо накладывался бандаж с гильзой и арматурой, к которой крепился рабочий инструмент – например, клещи или молоток. Существовали и более комплексные механизмы, способные выполнять сложные действия. Тем не менее, управление ими было крайне затруднительно. Появляются первые стационарные манипуляторы – прототипы роборук, управляемые человеком из кабины, созданные для взаимодействия с тяжелыми предметами. Они применялись в основном на заводах и фабриках – из-за их большого размера их использование где-либо еще было нецелесообразно. Шло время, манипуляторы в размерах становились меньше и более автоматизированными, некоторые могли действовать по заданной программе без помощи человека. Такие нашли свое применение на заводах – с их помощью было легко быстро выполнять одни и те же действия с предметами на конвейерной ленте, не утомляя людей монотонной работой. О роборуках, приводимых в движение биоэлектрическими сигналами, впервые задумались в СССР, и работы по их созданию начались в 1956-ом году. Вскоре искусственные конечности, какими их видели сценаристы-фантасты, стали появляться на экранах – примеры мы можем видеть в таких фильмах, как «Звездные Войны», «Стар Трек» и многие другие. В наше время разработкой бионических конечностей, управляемых силой мысли, занимаются университеты и частные компании в США и Германии [1].
Актуальность проекта «Рука-помощник» заключается в возможности детального изучения состава, структуры и алгоритма действий существующих моделей роботов, а также в развитии логического мышления. Создание собственной руки-помощника позволяет понять, как работают гидравлические насосы и как можно применять роботов в различных сферах, таких как промышленность, медицина и военная отрасль.
Проблема проекта «Рука-помощник» заключается в необходимости разработки и создания универсальной механизированной системы, способной выполнять различные задачи.
Цель проекта – разработка и изготовление руки-помощника, способного выполнять разнообразные задачи.
Объект исследования: роботы-манипуляторы.
Предмет исследования: процесс сборки руки-помощника с гидравлическим управлением.
Команда: научный руководитель Верболь О.А, выполнила Бозбей Милана совместно с родителями.
1.1. Гипотеза
Мы предположили, что рука-помощник, созданная с использованием простейших ручных гидравлических насосов, сможет выполнять заданные движения и перемещения по горизонтали и вертикали, вращаться вокруг своей оси и поднимать и перемещать предметы.
1.2. Задачи
1.3. Методы исследования
В качестве основного метода исследования применялся теоретический, который включал в себя литературный обзор, анализ и синтез. Практическими методами были поиск подходящих материалов и деталей для создания руки-помощника, а также изготовление модели руки-помощника.
Анализ - это метод, в основе которого лежит процесс разложения предмета на составные части. Когда мы пользуемся методом анализа, мы мысленно разделяем изучаемый объект, то есть, выясняем, из каких частей он состоит, каковы его свойства и признаки.
Синтез представляет собой соединение полученных при анализе частей в нечто целое. В результате применения синтеза происходит соединение знаний, полученных в результате использования анализа в единую систему.
2. Анализ конструкции, проектирование и изготовление
2.1. Анализ конструкции
Роботизированная рука – это тип механической руки, обычно программируемой, с функциями, аналогичными человеческой руке. Рука может быть как самостоятельным механизмом, так и частью более сложного робота. Сегменты манипулятора имеют соединения, позволяющие совершать вращательные или поступательные движения. Роботизированная рука заканчивается либо захватным механизмом, либо каким-то рабочим инструментом [2].
Роборука (рисунок 2) состоит из основных составных частей, представленных на рисунке, и включает в себя:
– плечо,
– локоть,
– запястье,
– кисть.
Рассмотрим классификацию роботизированных рук:
По принципиальному устройству,
Картезианские (декартовы, линейные) манипуляторы (рисунок 3) – самые простые из всех стационарных роботов. Типичные декартовы роботы имеют 3 линейные оси свободы, которые перпендикулярно ориентированы друг к другу, что обеспечивает рабочую область в форме прямоугольной коробки. Из-за их относительной простоты, по сравнению с другими типами роботов, декартовы роботы дешевле, чем их аналоги. Из-за своей жесткой конструкции этот тип роботов имеет хороший уровень точности и повторяемости. Например, трехосевой декартовый робот KUKA RL16 имеет повторяемость ± 0,1 мм.
SCARA-манипуляторы (рисунок 4) обычно имеют несколько параллельно соединенных рычагов, главным образом цилиндрической конструкции, которые обеспечивают позиционирование в одной выбранной плоскости. Из-за возможной деформации при полном вылете рычага, как правило, не обладают высокой грузоподъемностью, но могут похвастать хорошей скоростью и точностью. Традиционно используются в сборочных линиях.
Роботизированные руки шарнирной конструкции (рисунок 5) имеют поворотные соединения, число которых может варьироваться от двух до 10 или более. Манипуляторы такого типа монтируются на вращающемся основании. Сегменты руки соединены поворотными шарнирами. Каждое соединение называется осью и обеспечивает дополнительную степень свободы. Промышленные роботы обычно имеют четыре или шесть осей. Несмотря на более сложную конструкцию, на сегодня это одни из самых универсальных, совершенных и распространенных роботизированных рук, имеющие грузоподъемность от нескольких килограмм до 1,3 тонны. В линейном ряде KUKA широко представлены шарнирные роботы – от высокоточного KUKA KR 3 AGILUS с пакетом ready2_fasten_micro до супертяжеловеса KR-1000 Titan.
Антропоморфные роботизированные руки (рисунок 6) – разновидность шарнирных роботов, имеющих антропоморфные захваты.
Роборуки разделяются по области применения, т.к. помимо универсальных роботизированных рук существуют узкоспециализированные, приспособленные к определенным манипуляциям:
– строительная отрасль,
– расфасовка и упаковка готовой продукции,
– производство пищевых продуктов,
– строительство автомобилей,
– обработка деталей,
– медицинские работы,
– литейное производство и т.д.
Роботы-манипуляторы оснащаются различными оконечными устройствами, от простейших – пневматических или электромагнитных, удерживающих деталь вакуумом или магнитным полем, до сложных роборук с электромеханическим или гидравлическим приводом, а также всевозможных специальных инструментов – закручивающих, сварочных, режущих и т.д.
Инструменты роботов разделяются по разным принципам.
По принципу действия:
– механические;
– магнитные;
– вакуумные;
– с эластичными камерами, деформирующимися под действием нагнетаемого внутрь воздуха или жидкости.
По характеру крепления:
– несменяемые;
– сменные;
– быстросменные;
– с автоматической сменой.
По типу губок:
– жесткие;
– регулируемые;
– гибкие;
– пружинящие.
По типу привода:
– пружинные;
– пневматические;
– гидравлические;
– электромеханические.
2.2. Проектирование
В качестве конструкции «Руки-помощника» была выбрана механическая роборука с регулируемыми губками, несменяемым креплением и гидравлическим приводом.
На рисунке 7 представлен эскиз раскроя заготовок для будущей сборки «Руки-помощника».
Исходя из эскиза на рисунке 7, определены подручные материалы необходимые для изготовления Руки-помощника:
– шприцы,
– картон,
– шпажки,
– трубочки от капельницы,
– супер клей,
– кусочки проволоки,
– хомуты.
2.3. Изготовление
Проведя анализ конструкции, и определившись с необходимыми материалами, этапы изготовления включали в себя:
– подготовка материала (рисунок 8),
– предварительная склейка (рисунок 9),
– сборка управляющего элемента (рисунок 10),
–демонстрация окончательно собранного руки-помощника в домашних условиях (рисунок 11)
2.3. Защита проекта
Защита проекта производилась в рамках детской научно-практической конференции и включала в себя доклад на конференции (рисунок 12) и демонстрацию возможностей «Руки-помощника» участникам конференции (рисунок 13). На рисунке 14 представлено награждение призеров и участников детской научно-практической конференции.
Выводы
Таким образом, можно сделать вывод, что создание собственной роборуки типа «Рука-помощник» возможно в домашних условиях.
Цель проекта – создание гидравлической роборуки, способной перемещаться по горизонтали и вертикали, вращаться вокруг своей оси и поднимать предметы – была достигнута.
В ходе работы были изучены литература, существующие системы управления роборуками и материалы для создания роборуки.
Была разработана и изготовлена модель роборуки из доступных материалов.
Функциональность «Руки-помощника» были оценены на детской научной конференции.
Список литературы