Научно-исследовательская работа «Чудо техники - роботизированная рука»

государственное автономное учреждение Калининградской области профессиональная образовательная организация «Колледж сервиса и туризма» МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО­ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ  КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ СПО «ЗНАНИЕ – ПОИСК ­ ТВОРЧЕСТВО»  НАУЧНО­ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА  Чудо техники ­ роботизированная рука Выполнили: Степанов И.А., Атамян Н. О. студенты I курса, ГАУ КО ПОО  КСТ Руководитель: Литвиненко И.В.,  преподаватель физики Калининград, 2017 Оглавление I. Введение                                                                                                           3 II. Основная часть 1. История возникновения 3D принтера.                                                    5 2. Печать на 3 D принтере.                                                                           7 3. Как работает 3D принтер.                                                                         7 4. Что такое 3D принтер.                                                                               8 5. Технология FDM (НРМ).                                                                          9 6. Ручки для рисования трехмерных объектов.                                         10 7. Области применения 3D печати.                                                             11 8. Основные правила построения робототехники.                                    13 9. Устройство экструдера 3D­принтера                                                      14 10. Устройство 3D принтера.                                                                        16 11. Практическая часть.                                                                                 18       III. Заключение                                                                                                    23      Список литературы                                                                                             24                                                                                    «Докопаться до истины никогда не поздно»                                                                                                / Агата Кристи / I. Введение 2  Актуальность    Любая   творческая   работа   позволяет   расширять   границы   своих   познаний, совершенствовать   навыки   и   умения,   что   весьма   актуально,   для   современного студента. Хочется окунуться в мир непознанного, проявить себя, проверить свои способности, а эта тема как раз и даёт такую возможность. Мы полагаем, что эта тема интересна всем.  Цели работы      1. Ознакомиться с понятием 3D принтер. 2. Изучить основы робототехники.  3. Изготовить роботизированную руку  4. Сделать выводы о перспективах данного изделия.  Гипотеза  С помощью 3D принтера возможно изготовить роботизированную руку.  Если   научиться   самому   и   научить   других,   делать   с   помощью  3D   принтера роботизированную   руку,   то   это   поможет   сформировать   навыки   творческой работы и развить способности  делать выводы, анализировать.  Новизна Данная работа обладает определённым аспектом новизны, поскольку нам никогда не приходилось  делать роботизированную руку. Работа с  3D печатью – одна из самых новых, актуальных и перспективных тем современности.   Задачи 1. Изучить литературные и электронные источники по данной теме. 2. Рассмотреть основные правила построения робототехники. 3. Построение алгоритмов работы пальцев руки робота. 3 4. При помощи 3D принтера изготовить детали предплечья и кисти руки робота. 5. Собрать руку робота.  6. Приобрести   навыки   программирования   микроконтроллера   и управления жестами пальцев руки. 7. Определить области практического применения полученных знаний. 8. Создать презентацию и снять видеоролик по данной теме. 9. Сделать выводы. II. Основная часть                              С   начала   нового   тысячелетия   понятие   «3D»   прочно   вошло   в   нашу повседневную жизнь. В первую очередь, мы связываем  его с киноискусством, фотографией   или   мультипликацией.   Но   едва   ли   сейчас   найдётся   человек, который хотя бы раз в жизни не слышал о такой новинке, как 3D­печать. Что же это такое и какие новые возможности в творчестве, науке, технике и повседневной жизни несут нам технологии трехмерной печати? 1. История возникновения 3D принтера. 4 Хоть и много стали говорить о 3D печати только последние несколько лет, на самом деле эта технология существует уже достаточно давно. В 1984 году компания   Charles   Hull   разработала   технологию   трёхмерной   печати   для воспроизведения объектов с использованием цифровых данных, а двумя годами позже дала название и запатентовала технику стереолитографии. Тогда же эта компания разработала и создала первый промышленный 3D принтер. Впоследствии эстафету приняла компания 3D Systems, разработавшая в 1988 году модель принтера для 3Д печати в домашних условиях SLA – 250.  В том же году компанией Scott Grump  было изобретено моделирование плавлеными осаждениями. После нескольких лет относительного затишья, в 1991 году   компания   Helisys   разрабатывает   и   выпускает   на   рынок   технологию   для производства   многослойных   объектов,   а   через   год,   в   1992,   в   компании   DTM выходит в свет первая система селективного лазерного спаивания. Затем,   в   1993   году   основывается   компания   Solidscape,   которая   и приступает   уже   к   серийному   производству   принтеров   на   струйной   основе, которые   способны   производить   небольшие   детали   с   идеальной   поверхностью, причём при относительно небольших затратах. Тогда же Массачусетский университет патентует технологию трёхмерной печати, подобную струйной технологии обычных 2D принтеров. Но, пожалуй, пик 5 развития и популярности 3D печати всё же пришёлся на новый, 21 век. В 2005 году появился первый 3D принтер, способный печатать в цвете, это детище компании Z Corp под названием Spectrum Z510, а буквально через два   способный   воспроизводить   50% года   появился   первый   принтер, собственныхкомплектующих.                  В настоящее время круг возможностей и сфер применения 3Д печати постоянно   растёт.   Этим   технологиям   оказалось   подвластно   всё   —   от кровеносных   сосудов   до   коралловых   рифов   и   мебели.   Впрочем,   о   сферах применения данных технологий мы поговорим чуть позже 2. Печать на 3D принтере. Вкратце   —   это   построение   реального   объекта   по   созданному   на компьютере образцу 3D модели. Затем цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL­файла, после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие. Сам   процесс   печати   –   это   ряд   повторяющихся   циклов,   связанных   с 6 созданием трёхмерных моделей, нанесением на рабочий стол (элеватор) принтера слоя   расходных   материалов,   перемещением   рабочего   стола   вниз   на   уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов. Циклы   непрерывно   следуют   один   за   другим:   на  первый   слой   материала наносится   следующий,   элеватор   снова   опускается   и   так   до   тех   пор,   пока   на рабочем столе не окажется готовое изделие. 3. Как работает 3D принтер.  Применение   трехмерной   печати   –   это   серьезная   альтернатива традиционным   методам   прототипирования   и   мелкосерийному   производству. Трёхмерный,   или   3д­принтер,   в   отличие   от   обычного,   который   выводит двухмерные рисунки, фотографии и т. д. на бумагу, даёт возможность выводить объёмную информацию, то есть создавать трёхмерные физические объекты. На   данный   момент   оборудование   данного   класса   может   работать   с фотополимерными   смолами, керамическим порошком и металлоглиной.   различными   видами   пластиковой   нити, 4. Что такое 3D принтер. В   основу   принципа   работы   3d   принтера   заложен   принцип   постепенного 7 (послойного)   создания   твердой   модели,   которая   как   бы   «выращивается»   из определённого   материала,   о   котором   будет   сказано   немного   позже. Преимущества 3D печати перед привычными,  ручными способами  построения моделей — высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость. Например, для создания 3D модели или какой­либо детали вручную может понадобиться довольно много времени — от нескольких дней до месяцев. Ведь сюда входит не только сам процесс изготовления, но и предварительные работы —   чертежи   и   схемы   будущего   изделия,   которые   всё   равно   не   дают   полного видения окончательного результата. В   итоге   значительно   возрастают   расходы   на   разработку,   увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства. 3D   технологии   же   позволяют   полностью   исключить   ручной   труд   и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге — ведь программа позволяет увидеть   модель   во   всех   ракурсах   уже   на   экране,   и   устранить   выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов. При   этом   возможность   ошибок,   присущих   ручной   работе,   практически исключается. 5. Технология FDM (НРМ). 8 Даёт возможность создавать не только модели, но и конечные детали из стандартных,   конструкционных   и   высокоэффективных   термопластиков.   Это единственная   технология,   использующая   термопластики   производственного класса,   обеспечивающие   не   имеющую   аналогов   механическую,   термическую   и химическую прочность деталей. Печать   по   технологии  FDM  выгодно   отличается   чистотой,   простотой использования   и   пригодностью   для   применения   в   офисе.   Детали   из термопластика   устойчивы   к   высоким   температурам,   механическим   нагрузкам, различным химическим реагентам, влажной или сухой среде.   Благодаря   простоте   и   дешевизне,   FDM­принтеры   очень   популярны. Именно такие устройства составляют большинство “домашних” и самодельных моделей.   Печатающая головка FDM­принтера называется экструдером (от extrude — выдавливать), что отражает ее принцип действия: экструдер создает объект послойно,   выдавливая   размягченный   материал   через   сопло.   Тюбик   с   зубной пастой, клеевой пистолет, шприц с силиконовым герметиком — действуют по аналогичной схеме. Чаще   всего,   для   печати   в   FDM­устройствах   используются термопластики ABS и PLA в виде филамента (нити). Растворимые   вспомогательные   материалы   позволяют   создавать   сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично 9 получить обычными методами. 3D­принтеры, действующие по технологии FDM, создают детали слой за слоем, разогревая материал до полужидкого состояния и выдавливая его в соответствии созданными на компьютере путями. Для печати по технологии FDM используется два различных материала — из   одного   (основного)   будет   состоять   готовая   деталь,   и   вспомогательного, который   используется   для   поддержки.   Нити   обоих   материалов   подаются   из отсеков 3D­принтера в печатающую головку, которая передвигается зависимости от изменения координат X и Y, и наплавляет материал, создавая текущий слой, пока основание не переместится вниз и не начнется следующий слой. Когда   3D­принтер   завершит   создание   детали,   остаётся   отделить вспомогательный материал механически, или растворить его моющим средством, после чего изделие готово к использованию. 6. Ручки для рисования трехмерных объектов Интересно,   что   в   наши   дни   популярностью   пользуются   не   только автоматические   настольные  FDM  принтеры,   но   и   приспособления   для   ручной печати. Причем, правильно было бы назвать их не печатными устройствами, а ручками для рисования трехмерных объектов. Ручки сделаны по той же схеме, что и принтеры, использующие технологию 10 послойного наплавления. Пластиковая нить подается в ручку, где плавится до нужной консистенции и тут же выдавливается через миниатюрное сопло! При должной сноровке получаются вот такие оригинальные декоративные фигурки: Ну и конечно, так же, как и технологии, отличаются друг от друга и сами принтеры. Если у вас принтер, работающий по  FDM, то технологию SLS на нём применить   будет   невозможно,   т.   е.   каждый   принтер   создан   только   под определённую технологию печати. 7. Области применения 3D печати 3D   печать   открыла   большие   возможности   для   экспериментов   в   таких сферах как архитектура, строительство, медицина, образование, моделирование одежды,   мелкосерийное   производство,   ювелирное   дело,   и   даже   в   пищевой промышленности.  11 В архитектуре, например, 3D печать позволяет создавать объёмные макеты зданий, или даже целых микрорайонов со всей инфраструктурой — скверами, парками, дорогами и уличным освещением. Благодаря   используемому   при   этом   дешёвому   гипсовому   композиту обеспечивается   низкая   себестоимость   готовых   моделей.   А   более   390   тысяч оттенков   CMYK   позволяют   в   цвете   воплотить   любую,   даже   самую   смелую фантазию архитектора. В   строительстве   есть   все   основания   предполагать,   что   в   недалёком будущем   намного   ускорится   и   упростится   процесс   возведения   зданий. Калифорнийскими   инженерами   создана   система   3D   печати   для крупногабаритных   объектов.   Она   работает   по   принципу   строительного   крана, возводящего стены из слоёв бетона. Такой принтер может возвести двухэтажный дом всего в течение 20 часов. После   чего   рабочим   останется   лишь   провести   отделочные   работы.   3D House   Постепенно   завоёвывают   прочные   позиции   3D   принтеры   и   в мелкосерийном производстве. В основном эти технологии используются для производства эксклюзивных изделий, таких как предметы искусства, фигурки персонажей для ролевых игр, прототипов моделей будущих товаров или каких­либо конструктивных деталей. В   медицине   благодаря   технологиям   трёхмерной   печати   врачи   получили возможность   воссоздавать   копии   человеческого   скелета,   что   позволяет   более точно   отработать   приёмы,   повышающих   гарантии   успешного   проведения операций. Всё большее применение находят 3D принтеры в области протезирования в стоматологии,   так   как   эти   технологии   позволяют   намного   быстрее   получить протезы, чем при традиционном изготовлении. Не так давно немецкими учёными была разработана технология получения 12 человеческой   кожи.   При   её   изготовлении   используется   гель,   полученный   из клеток   донора.   А   в   2011   году   учёным   удалось   воспроизвести   живую человеческую почку. Как видим, возможности, которые открывает 3D печать практически во всех сферах деятельности человека поистине безграничны.  Теперь в реальность можно   воплощать   самые   смелые   идеи   и   при   этом   не   надо   тратить   огромное количество   времени   для   этого   процесса.  Принтеры,   создающие   кулинарные шедевры,  воспроизводящие   протезы   и   органы   человека,  игрушки   и   наглядные пособия, одежду и обувь — уже не плод воображения писателей — фантастов, а реалии современной жизни. А какие ещё горизонты откроются перед человечеством в ближайшие годы, наверное, это может быть ограничено только фантазией самого человека. 8. Основные правила построения робототехники. Основой проекта стал робот InMoov. 13 9. Устройство экструдера 3D­принтера Типичный экструдер для печати пластиком делится на две основные части: блок с механизмом подачи филамента (колд­энд, “холодный конец”, cold end) и сопло с нагревателем (хот­энд, “горячий конец”, hot­end). 14 Экструдер 3D­принтера Solidoodle. Хорошо видно красный филамент, зажатый между подающим роликом (слева) и прижимным. Прямоугольная алюминиевая деталь на сопле — нагреватель. Подающие ролики (втулки) Подаватель   филамента   состоит   из   колеса   (шестерни),   соединенного   с электромотором   (напрямую   или   через   редуктор),   и   прижимного   механизма. Подающее колесо, вращаясь, вытягивает филамент из катушки и направляет его в хот­энд,   где   пластик   плавится   под   воздействием   высокой   температуры   и выдавливается через отверстие в сопле. “Горячий   конец”   экструдера   делают   из   металла   с   высокой теплопроводностью   (алюминия   или   латуни);   нагревательный   элемент,   как правило, выполнен в виде одного­двух резисторов или спирали из нихромовой проволоки. Для отслеживания и последующей регулировки температуры, к соплу экструдера крепится датчик (термопара). 15 Экструдер 3D­принтера Printbox3D One с системой охлаждения Хот­энд   сильно   разогревается   во   время   работы,   а   остальные   части экструдера должны оставаться холодными, иначе филамент начинает плавиться слишком рано. Поэтому, между “холодным” и “горячим” концами экструдера устанавливается теплоизолирующая вставка (обычно из термостойкого пластика PEEK). Кроме того, для охлаждения колд­энда, в печатающую головку часто встраивают радиатор с вентилятором. 10. Устройство 3D принтера. 16 17 3D принтер 18 11.Практическая часть Печать и сборка руки.  Производим печать деталей руки робота на 3D  принтере. Каждая деталь печатается и после печати производится подгонка деталей и примерка. Каждая деталь, должна точно подходить к другой детали.      19 Сборка руки. После   того,   как   все   детали   обработаны   и   примерены,   собираем   руку, соблюдая последовательность сборки и аккуратность. 20 Подключение электроники.  После сборки руки, устанавливаем исполнительные механизмы. Сервоприводы.   И  контроллер   управления  сервоприводами. 21 Контроллер подает управляющий сигнал на сервоприводы,   которые, при помощи тяг (плетеная леска), сгибают и разгибают пальцы, а так же создают необходимое усилие на удержание пальцами  предметов.  Программирование электроники. 22 Самая   ответственная   часть     программирование микроконтроллера. Для программирования использовалась распространённая   и   работы,   это   бесплатная   утилита   ­   Arduino ID. Настройка и управление После прошивки микроконтроллера, переходим к настройке программы управления. Программой    управления   служит     программная      платформа Myrobotlab­gui 1.0.1758. 23 Конечный результат После   настройки   программы   управления,   проверяем   работу   руки.   На фото   продемонстрированно, как   рука    держит   кружку. III. Заключение В ходе работы мы изучили ряд литературных и электронных источников по данной теме. Определили, что современные технологии, в частности 3D печать, может   позволить   воплотить   в   жизнь,   самые   смелые   замыслы   конструкторов. Доступная микроэлектроника позволяет создавать различные алгоритмы работы исполнительных устройств. Необходимо еще взять в расчет миниатюризацию как исполнительных механизмов, так и электроники.  Мы считаем, что такую технологию, которая применена в данном роботе, можно применить в такой отрасли, как протезирование потерянных конечностей человека или создание экзоскелетов, которые позволяют обрести подвижность людям, прикованным к инвалидным креслам.     24 Список использованной литературы 1. https://make­3d.ru/articles/chto­takoe­3d­pechat/ Что такое 3D печать и 3D  принтер?. 2. 3D      печать предвещает быстрое развитие       робототехники.           imolodec.com›…3d…predveshchaet…rost­robototekhniki 3. Экструдер для 3D­принтера – принцип работы экструдера, важные  характеристики и виды. Форум о 3 4. http://ru.wikipedia.org: Википедия    D    печати. 3  D WIKI   25