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!

    Вики Р.
    5 (44 отзыва)
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написан... Читать все
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написание письменных работ для меня в удовольствие.Всегда качественно.
    #Кандидатские #Магистерские
    60 Выполненных работ
    Татьяна П. МГУ им. Ломоносова 1930, выпускник
    5 (9 отзывов)
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.
    #Кандидатские #Магистерские
    11 Выполненных работ
    Татьяна М. кандидат наук
    5 (285 отзывов)
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    #Кандидатские #Магистерские
    495 Выполненных работ
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Анастасия Б.
    5 (145 отзывов)
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическо... Читать все
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическому и гуманитарному направлениях свыше 8 лет на различных площадках.
    #Кандидатские #Магистерские
    224 Выполненных работы
    Яна К. ТюмГУ 2004, ГМУ, выпускник
    5 (8 отзывов)
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соот... Читать все
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соответствии с Вашими требованиями.
    #Кандидатские #Магистерские
    12 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 навигации автономного мобильного робота для работы на Крайнем Севере
    📅 2020год
    🏢 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)