Разработка автоматизированной системы обезвешивания на гибком подвесе

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 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;