2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….
4
Глава 1. Обзор роботизированных систем для захвата предметов и
андроидов………………………………….......................................................
10
1.1. Клешня для захвата твердотельных предметов………………………...
10
1.2. Роботизированные кисти андроида……………………………………
17
1.3. Бионические протезы кисти и анализ деятельности ГУЗ «НКБ»…….
22
Глава 2. Проектирование манипулятора кисти робота и программное
обеспечение разработки………………………................................................
29
2.1. Построение функциональной модели предметной области…………
29
2.2. Подключение и общие сведения об Arduino …………………………..
33
2.3. Состав программного кода Arduino…………………………………….
38
Глава 3. Разработка автоматизированной информационно-управляющей
системы кисти андроида
44
3.1. Разработка 3Д модели......……………………………………………….
44
3.2. Инструкция для сборки роботизированной кисти андроида………….
49
3.3. Макетный образец кисти андроида и его программирование ……….
54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….
63
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ …………………..………..
67
Приложение А. Электрическое устройство манипулятора кисти робота…
71
Приложение Б. Листинг скетча, реализующего попеременное загибание
пальцев кисти андроида с помощью перчатки……………………………...
64
Приложение В. 3Д модель автономной роботизированной кисти
андроида……………………………………………………………………….
66
Приложение Г. Фотография перчатки, герконов с витой парой и розетки
67
Приложение Д. Акт внедрения………………..…………………………….
68
Приложение Е. Листинг скетча, реализующего попеременное загибание
пальцев кисти с помощью перчатки…………………………………………
69
3
Приложение Ж. Листинг скетча, реализующего попеременное загибание
пальцев кисти андроида и жестикуляцию «Коза», «Пистолет», «Мир»….
71
4
ВВЕДЕНИЕ
В наши дни человек никак не может обойтись без
высокотехнологичного программируемого оборудования, механических и
электронных систем управления.
В настоящее время без информационных технологий невозможно
обойтись ни в одной сфере жизни общества, да и в повседневной жизни
рядового гражданина всю большую популярность набирают различные
гаджеты, позволяющие значительно облегчить работу, быт и улучшить
досуг.
В настоящем исследовании будет рассмотрено взаимодействие
информационных технологий и медицины, в области создания
автоматизированной информационно-управляющей системы кисти руки
андроида.
Робототехнические программированные системы можно назвать
одним из достаточно новых видов производственной
высокотехнологичной техники [1].
Информационно – управляющие программируемые
робототехнические системы имеют механические движущиеся
исполнительные устройства.
На основании данных, поступающих от каких-либо внешних
источников, производят по определенным алгоритмам и программам (в
том числе и адаптирующимся к обстановке и к поставленной задаче)
обработку данных, впоследствии выдачу результатов на экран монитора
или другие внешние устройства, а также автоматически вырабатывают
необходимые управляющие сигналы на основании каких-то полученных
результатов [36].
Актуальность представленной работы заключается в том, что
ежегодно на территории России более 7000 людей нуждаются в
5
протезировании в результате врожденных патологий верхних конечностей
и травм.
Одним из наиболее частых решений в данном случае является
протезирование тяговым или косметическим протезом, которые не
позволяют полностью или хотя бы в большей части вернуть функции
потерянной конечности.
Имеющиеся на медицинско-технологическом рынке протезы
обладают достаточно высокой стоимостью и сложно доступны на
территории России.
Данный проект работы направлен на проектирование и разработку
отечественно функционального протеза верхней конечности, не
уступающий аналогам.
Использование плат с контроллером Arduino позволяет в короткие
сроки создать готовое электронное программируемое на языке
программирования высокого уровня С++ устройство.
Одной из областей применения таких плат стали маленькие роботы,
количество вариантов конструкций которых, на сегодняшний день
составляют сотни, а порой даже тысячи.
Создание программируемого управляемого робота представляет
собой процесс многоэтапный, который включает в себя проектирование
его основных твердотельных частей, разработку, сборку,
программирование, отладку.
Знания азов робототехники граничат с механикой, математикой,
физикой, алгоритмизацией [37].
В настоящее время придумано огромное число модификаций
робототехнических управляемых систем, различающихся по стоимости,
дизайну и др. параметрам.
Программирование является основным разделом науки
«Информатика», которая обязательно входит во все учебные планы
6
технических специальностей среднего и высшего профессионального
образования.
В ВУЗах для обучения программированию используется следующий
язык - компилируемый, статически типизированный язык
программирования общего назначения, язык программирования высокого
уровня - С++ [12].
Программирование роботизированных кистей андроида так же
может осуществляться на языке С++.
В связи с тем, что исследование и разработка роботизированных
систем является достаточно развивающимся и перспективным
направлением, была выбрана тема выпускной квалификационной работы -
«Автоматизированная информационно-управляющая система кисти
андроида».
Выпускная квалификационная работа выполнена на базе ГУЗ
«Новомосковска клиническая больница» (НКБ).
Объектом исследования настоящей выпускной квалификационной
работы является макетный образец информационно-управляющей системы
кисти андроида.
Предметом исследования – автоматизация роботизированной кисти
андроида с помощью программного управления.
Целью выпускной квалификационной работы является анализ
проектирования и разработка автоматизированной информационно-
управляющей системы кисти андроида с программным управлением
пальцев его кисти, позволяющей осуществлять жестикуляцию и захват
твердотельных предметов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
7
произвести обзор роботизированных систем андроидов захвата
и жестикуляции;
осуществить анализ деятельности государственного
учреждения здравоохранения (ГУЗ) Новомосковской
клинической больницы (НКБ);
построить функциональную модель предметной области;
разработать твердотельную модель робота с помощью системы
автоматизированного проектирования САПР Solid Works 2017;
реализовать программное управление мобильным роботом;
собрать и испытать макетный образец автономной
роботизированной кисти андроида, работающей в автономном
и автоматизированном режимах с помощью перчатки.
Разработанная информационно-управляющая система кисти
андроида может применяться в области проектирования, разработки и
непосредственно самом испытании протезов кисти для захвата
твердотельных предметов, а также при жестикуляции пальцами в
рекламных и развлекательных целях.
Достоинствами автономного робота кисти андроида являются:
компактность, простое программное управление, быстродействие,
бесшумность.
Робот кисти андроида является экологически чистой продукцией,
поскольку работает он исключительно от электрических аккумуляторов
[35].
Научно-исследовательские работы (НИР) производились в рамках
контракта, заключенного с Воронежским филиалом Федерального
государственного унитарного предприятия «Московское протезно-
ортопедическое предприятие», входящего в состав предприятий,
8
подведомственных Министерству труда и социальной защиты Российской
Федерации.
Теоретическая значимость представленной работы заключается в
том, что в настоящем исследовании рассматриваются диаграммы
функциональной модели манипулятора кисти робота.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что
полученные результаты по разработке, автоматизированной
информационной будут использоваться в дальнейшем при создании
протезов кистей рук.
Решением поставленных в работе задач занимались многие авторы, в
том числе исследователь Беркинблит М. Б. с работой «Двигательные
задачи и работа параллельных программ и интеллектуальные процессы, и
их моделирование»; а также Юревич Е.И. и его научный труд «Основы
робототехники».
Применение автоматического проектирования и синтеза крайне
актуальны и для исследования информационно-измерительной системы
наземного мобильного робота и др.
Представленная выпускная квалификационная работа состоит из
введения, трех глав, заключения, а также списка использованных
материалов, приложений и написана на основании сорока трех источников
научной, специальной литературы по заданной теме и при помощи
интернет – ресурсов.
В первой главе выпускной квалификационной работы произведен
общий обзор роботизированных систем кисти руки для захвата предметов
и андроидов.
Во второй главе представленного исследования осуществлено
проектирование манипулятора кисти робота и представлено программное
обеспечение разработки.
9
В третьей главе настоящей работы представлена разработка
автоматизированной информационно-управляющей системы кисти
андроида.
10
ГЛАВА 1. ОБЗОР РОБОТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
ДЛЯ ЗАХВАТА ПРЕДМЕТОВ И АНДРОИДОВ
1.1. Клешня для захвата твердотельных предметов
В современное время в программируемой мобильной робототехнике
достаточно широкое распространение получили программированные
клешни для захвата самых разных предметов.
Клешня обычно состоит из 2-х направляющих, при сближении
которых происходит крепкое удержание твердотельного предмета или
какой-то вещи.
Движения этих направляющих происходит с помощью специальных
точных двигателей - «сервоприводов».
Общий вид клешни для захвата твердых предметов показан на рис. 1
[27].
Такой программируемый захват можно использовать для
систем роботов-манипуляторов, самоходных шасси и других различных
устройств автоматики [9].
11
Рисунок 1 – Клешня для захвата предметов
К главным достоинствам программируемой клешни для захвата
твердотельных предметов можно отнести достаточную простоту
конструкций.
А основным недостатком такого типа клешней является то, что
данный захват является эффективным, только когда предмет является
плоским.
При программировании указанной клешни возможно использовать
как программы циклической структуры, так и определенные массивы
данных.
Клешни для захвата предметов должны точно отрабатывать угол
захвата предметов.
От точности такого захвата зависит и качество их работы в
дальнейшем [20].
Известна конструкция клешни для такого робота-манипулятора
«RKP-RH101-A», которая создана из алюминия диаметром в 3 мм, и
способна захватывать как тяжелые, так и достаточно легкие предметы
различной формы непосредственно в зависимости от установленного на
неё двигателя.
Такая клешня имеет следующие параметры:
максимальные габариты клешни в раскрытом положении 96
мм.;
ширина разведенного захвата клешни манипулятора составляет
54 мм.;
вес клешни манипулятора составляет 67 грамм.
Клешня для робота-манипулятора “RKP-RH101-A” показана на
рисунке 2.