Разработка автоматизированной системы обезвешивания на гибком подвесе

Бугаков, Артём Иванович Отделение автоматизации и робототехники (ОАР)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

В данной работе произведен литературный обзор по предметной области исследования: роботизированные системы реабилитации, тросовые манипуляторы, 3D моделирование.
Разработана конструкция стенда для перемещения и компенсации веса пациента, в том числе конструкторская документация и 3D модель, разработана математическая модель в упрощенном виде, рассчитана мощность привода и выполнен подбор оборудования, произведены расчет и выбор всех составных элементов стенда.
Область применения: различные виды реабилитации, обеспечение бытовой мобильности, помощь младшему медицинскому персоналу при проведении медицинских и гигиенических процедур.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 15
1 Анализ предметной области ………………………………………………………………… 16
1.1 Робототехника и мехатроника в медицине ………………………………………… 16
1.2 Классификация медицинских роботов ………………………………………………. 19
1.3 Механизмы и методы обезвешивания ……………………………………………….. 20
1.4 Классификация систем обезвешивания……………………………………………… 22
1.5 Обзор и классификация приводов систем обезвешивания …………………. 24
1.6 Реабилитация при патологиях опорно-двигательного аппарата …………. 29
2 Определение требований, предъявляемых к конструкции ……………………. 30
2.1 Воспроизведение заданных кинематических законов. ……………………….. 31
2.2 Быстродействие механизмов и системы управления. ………………………… 31
2.3 Назначение разработки и основные функции ……………………………………. 33
2.4 Обзор существующих решений в области исследований …………………… 34
3 Разработка конструкции приводного модуля стенда …………………………….. 38
3.1 Общий вид и концепция …………………………………………………………………… 38
3.2 Электродвигатель постоянного тока …………………………………………………. 38
3.3 Червячный редуктор …………………………………………………………………………. 39
3.4 Энкодер ……………………………………………………………………………………………. 40
3.5 Блок направляющих роликов ……………………………………………………………. 40
3.6 Крепежная платформа ………………………………………………………………………. 41
3.7 3D модель барабана для намотки троса …………………………………………….. 41
3.8 3D модель сборки приводного модуля стенда …………………………………… 42
4 Разработка математической модели …………………………………………………….. 43
4.1 Система с двумя гибкими звеньями ………………………………………………….. 43
4.2 Система с тремя гибкими звеньями …………………………………………………… 46
4.3 Система с четырьмя гибкими звеньями …………………………………………….. 48
4.4 Момент на электроприводе ………………………………………………………………. 51
4.5 Рабочая зона системы……………………………………………………………………….. 52
5 Расчёт параметров и подбор оборудования ………………………………………….. 55
5.1 Расчёт длин тросов …………………………………………………………………………… 56
5.2 Расчёт сил ………………………………………………………………………………………… 57
5.3 Выбор лебедочных механизмов ………………………………………………………… 59
5.3.1 Определение параметров и выбор троса (каната) ……………………………. 62
5.3.2 Определение параметров барабана…………………………………………………. 62
5.4 Расчёт мощности двигателя………………………………………………………………. 64
5.5 Расчёт передаточного числа редуктора ……………………………………………… 65
5.6 Выбор электропривода ……………………………………………………………………… 66
6 Концепция стартап-проекта…………………………………………………………………. 67
6.1 Наименование ………………………………………………………………………………….. 67
6.2 Описание продукта как результат НИР …………………………………………….. 67
6.3 Интеллектуальная собственность ……………………………………………………… 70
6.4 Объем и емкость рынка…………………………………………………………………….. 71
6.4.1 Производители ………………………………………………………………………………. 71
6.4.2 Структура и сегментация рынка …………………………………………………….. 71
6.4.3 Структура и сегментация мирового рынка ……………………………………… 72
6.4.4 Текущее состояние отрасли производства ……………………………………… 74
6.4.5 Объем и ёмкость рынка …………………………………………………………………. 75
6.5 Анализ современного состояния и перспектив развития отрасли ………. 75
6.6 Планируемая стоимость продукта …………………………………………………….. 76
6.6.1 Материальные затраты…………………………………………………………………… 78
6.6.2 Затраты на оборудование……………………………………………………………….. 78
6.6.3 Контрагентные расходы…………………………………………………………………. 79
6.6.4 Заработная плата работников …………………………………………………………. 80
6.7 Конкурентные преимущества создаваемого продукта, сравнение
технико-экономических характеристик с отечественными и мировыми
аналогами …………………………………………………………………………………………………. 82
6.8 Целевые сегменты потребителей создаваемого продукта ………………….. 85
6.9 Бизнес-модель проекта. Производственный план. План продаж. ……….. 87
6.10 Стратегия продвижения продукта на рынок ……………………………………… 89
7 Социальная ответственность ……………………………………………………………….. 91
7.1 Введение ………………………………………………………………………………………….. 91
7.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности. …… 92
7.2.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ………………………………………………………… 92
7.2.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя…………………………………………………………………………………………. 92
7.3 Производственная безопасность. ………………………………………………………. 94
7.3.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть на
рабочем месте при проведении исследований. ………………………………………… 94
7.3.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов. ……………………………………………………………….. 102
7.4 Экологическая безопасность …………………………………………………………… 105
7.4.1 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду …….. 105
7.4.2 Анализ «жизненного цикла» объекта исследования ……………………… 106
7.4.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды ……………. 106
7.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………… 107
7.5.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в процессе
исследований и эксплуатации ……………………………………………………………….. 107
7.5.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС ……………………………………….. 108
7.6 Заключение по разделу социальная ответственность ……………………….. 109
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 110
Список публикаций ……………………………………………………………………………………. 111
Список использованных источников ………………………………………………………….. 112
Приложение А (обязательное) ……………………………………………………………………. 116

В настоящее время системы параллельной структуры с гибкими звеньями
часто применяются в промышленности для перемещения различных грузов в
пространстве, например, при строительстве крупногабаритных конструкций,
погрузо-разгрузочных работах, 3D-печати в строительстве, видеосъёмке на
больших открытых пространствах. Это обусловлено рядом преимуществ перед
последовательными и параллельными системами (манипуляторами) с жесткими
связями. К таким преимуществам относятся: масштабируемость, простота
конструкции, большая рабочая область, высокий коэффициент полезной
нагрузки, а также низкие инерционные свойства, что позволяет облегчить работу
и управление на высоких скоростях.
Ключевое преимущество подобного манипулятора – возможность
динамически менять вектор прилагаемой к объекту силы, тем самым
компенсируя полностью или часть его массы, что может быть полезно для
уменьшения веса объекта при его движении или для воссоздания условий
невесомости, например, для проведения испытаний космических
трансформируемых крупногабаритных конструкций. В данной работе в качестве
приоритетного направления выбрана задача частичной компенсации веса тела
человека в рамках реабилитационных мероприятий.
Помимо вышеописанных применений манипулятор подобной структуры
может быть применен в научно-исследовательских целях: исследование
эффективности различных методов реабилитации, испытания
робототехнических комплексов (мобильные роботы, андроиды, экзоскелеты), в
спорте высоких достижений, в сфере развлечений (расширение возможностей
виртуальной реальности).
В данной работе описаны основные принципы разрабатываемого
манипулятора параллельной структуры с гибкими звеньями для решения задач
компенсации веса тела.

В рамках работы над магистерской диссертацией сформулирована
концепция и общие требования к разработке и использованию системы
обезвешивания с гибкими звеньями. Предложены области применения системы
такого типа.
Разработана кинематическая схема манипулятора и её математическая
модель, что позволит в дальнейшем реализовать систему управления и
разработать опытный макет манипулятора для подтверждения
работоспособности предлагаемой конструкции.
Разработана конструкция приводного модуля, в том числе 3D модель и
конструкторская документация.
Приведен расчёт основных конструктивных элементов манипулятора и
подбор оборудования.
В рамках работы над магистерской диссертацией разработана концепция
стартап-проекта, в которой оценен коммерческий потенциал разработки,
выполнена оценка емкости рынка, подсчитана себестоимость изделия, а также
сформирована бизнес-модель и план продвижения продукта на рынок.
По результатам выполненных работ разработан испытательный стенд –
прототип системы, на базе которого может быть реализован лабораторный стенд
для проведения учебных занятий. Кроме того, разработанный стенд позволить
проводить исследования, дорабатывать и улучшать разработанную
конструкцию, а также разработать и испытывать различные методы управления.
Список публикаций

1. Бугаков А.И. Разработка многофункционального манипулятора
параллельной структуры с гибкими звеньями для компенсации веса // Молодежь
и современные информационные технологии: сборник трудов XVII
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых (Томск, 17–20 февраля 2020 г.) / Томский политехнический
университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2020. –
C. 206-207;

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Мария А. кандидат наук
    4.7 (18 отзывов)
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Анна В. Инжэкон, студент, кандидат наук
    5 (21 отзыв)
    Выполняю работы по экономическим дисциплинам. Маркетинг, менеджмент, управление персоналом. управление проектами. Есть опыт написания магистерских и кандидатских диссе... Читать все
    Выполняю работы по экономическим дисциплинам. Маркетинг, менеджмент, управление персоналом. управление проектами. Есть опыт написания магистерских и кандидатских диссертаций. Работала в маркетинге. Практикующий бизнес-консультант.
    #Кандидатские #Магистерские
    31 Выполненная работа
    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Александр Р. ВоГТУ 2003, Экономический, преподаватель, кандидат наук
    4.5 (80 отзывов)
    Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфин... Читать все
    Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфинансы (Казначейство). Работаю в финансовой сфере более 10 лет. Банки,риски
    #Кандидатские #Магистерские
    123 Выполненных работы
    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Робот для картографирования местности на базе стереокамеры
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Универсальный мехатронный модуль для мобильного робота
    📅 2020год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Искусственные мускулы на основе капиллярной нити
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Система виденья для людей с нарушением зрения
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Исследование роботизированной мобильной платформы KUKA youBot
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Менеджер онлайн в Telegram Написать