The Lazarus Arm: 10 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

ฉันอยากจะเริ่มต้นด้วยการพูดว่าขอบคุณที่ให้ความสนใจในโครงการของฉัน ฉันชื่อ Chase Leach และฉันเป็นรุ่นพี่ใน WBASD S. T. E. M. อะคาเดมี่. โครงการนี้เป็นผลงานสำหรับรางวัล Butwin Elias Science and Technology Award 2019-2020 แขน Lazarus เป็นแขนเทียมที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ จนถึงตอนนี้ใช้เฉพาะวัสดุที่พบได้ทั่วไปในบ้าน ยกเว้นมอเตอร์และ Arduino Uno ที่นำมาจากโปรเจ็กต์ก่อนหน้าที่ฉันออกแบบ ปีนี้ฉันไม่มีเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ดังนั้นการออกแบบแขนจึงค่อนข้างยุ่งยากเพราะฉันใช้กระดาษแข็งสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างของ The Lazarus Arm เป้าหมายของโครงการนี้คือการสร้างแบบจำลองการทำงานที่สามารถแสดงแนวคิดในการออกแบบของฉันได้ เมื่อพิจารณาจากทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัด ฉันคิดว่าการออกแบบขั้นสุดท้ายก็ออกมาดีทีเดียว ขอขอบคุณสำหรับโอกาสที่จะมีส่วนร่วมในการแข่งขันครั้งนี้ มันทำให้ฉันมีความสนุกสนานมากมาย การแข่งขันครั้งนี้ได้สร้างความทรงจำอันล้ำค่าให้กับฉัน การออกแบบ The Lazarus Arm และการเอาชนะความท้าทายที่นำเสนอได้สอนฉันมากมาย ขอบคุณสำหรับเวลาและการพิจารณาของคุณและโดยไม่ต้องลาก่อนฉันหวังว่าคุณจะสนุก

เสบียง

อุปกรณ์ทั้งหมดที่ฉันใช้มีอยู่แล้วสำหรับฉัน แต่ฉันได้รวมรายการต้นทุนทางทฤษฎีไว้ข้างวัสดุแล้ว

วัสดุ & ต้นทุน

• กล่องกระดาษแข็ง 12 x 12 x 16 ($ 0.82)
• ปืนกาวร้อน ($ 4.99)
• แท่งกาวร้อน ($ 3.97)
• สก๊อตเทป ($ 6.80)
• 4 x กระดาษ ผ้าขนหนู ม้วน ($9.98)
• 2 x กระดาษชำระม้วนละ (6.99 เหรียญ)
• (จำนวน: 8) MG90S Tower Pro เซอร์โวมอเตอร์ (ราคารวม: $23.99)
• 1 x บอร์ด Arduino MEGA 2560 R3 (ราคารวม: $12.95)
• ลวด ($8.76)
• โปรโตบอร์ด ($5.99)
• หลอด ($2)
• ริบบิ้น ($ 3.29)

ขั้นตอนที่ 1: เวลาที่จำเป็นสำหรับการก่อสร้าง

เวลาที่ใช้ในโครงการนี้ผ่านไปอย่างรวดเร็วในขณะที่ทำงานเกี่ยวกับการออกแบบและสร้างแขน ส่วนหนึ่งของโปรเจ็กต์ที่ฉันชอบเป็นพิเศษคือการออกแบบข้อต่อข้อศอกเนื่องจากใช้วิธีการก่อสร้างข้อต่อในวิทยาการหุ่นยนต์ที่ใช้ระบบรอกเพื่อเพิ่มปริมาณงาน การออกแบบ The Lazarus Arm ใช้เวลาทั้งหมด 63 ชั่วโมง ซึ่งรวมถึงการวิจัยเพื่อค้นหาวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการออกแบบขั้นสุดท้ายให้คุ้มค่าที่สุด การประกอบ The Lazarus Arm ใช้เวลาทั้งหมด 15 ชั่วโมงและกาวร้อนจำนวนมาก การทดสอบมีความน่าสนใจเนื่องจากการออกแบบเบื้องต้นสำหรับเทียมมีแนวโน้มที่จะหยุดทำงานเนื่องจากการเสียดสีที่เกิดจากไหมขัดฟันที่ใช้กับระบบรอกที่ข้อศอก ทั้งหมดที่ฉันทำคือลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของล้อและใช้งานได้ ขั้นตอนการทดสอบใช้เวลาทั้งหมด 12 ชั่วโมง ขั้นตอนการเขียนโปรแกรมของโปรเจ็กต์ใช้เวลาทั้งหมด 10 ชั่วโมง ซึ่งไม่นับรวมเวลาที่ฉันต้องพัฒนาทักษะ C++

ขั้นตอนที่ 2: S. T. E. M. แอปพลิเคชั่น

วิทยาศาสตร์- ในโครงการของฉัน วิทยาศาสตร์มีส่วนร่วมในการออกแบบการออกแบบโปรโตบอร์ด ซึ่งอนุญาตให้มีการจ่ายพลังงานระหว่างเซอร์โวมอเตอร์ในการออกแบบ นอกจากนี้ยังพบว่ามีบทบาทในฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบโครงสร้างของแขน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การออกแบบระบบรอกในข้อต่อข้อศอก ซึ่งทำให้แขนมีความได้เปรียบทางกลไกอย่างมาก ทำให้แขนยกได้มากกว่าที่อาร์คิมิดีสจะพึงมีได้

เทคโนโลยี- แง่มุมทางเทคโนโลยีของโครงการของฉันเข้ามามีบทบาทเมื่อฉันเข้ารหัสการเคลื่อนไหวของแขนเทียมโดยใช้ C ++ มันเข้ามามีบทบาทเมื่อฉันติดตั้งมอเตอร์และบอร์ด Arduino

วิศวกรรมศาสตร์เข้ามามีบทบาทเมื่อฉันออกแบบฝ่ามือ นิ้วหัวแม่มือ ข้อต่อข้อมือ ปลายแขน ข้อศอก และต้นแขน มันเข้ามามีบทบาทในการออกแบบใหม่ การระบุปัญหาที่เกิดขึ้น และวิธีแก้ปัญหาที่ฉันคิดขึ้นมาสำหรับปัญหา

คณิตศาสตร์- คณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างมือเข้ามามีบทบาทเมื่อฉันกำลังมองหาสัดส่วนทางกายวิภาคที่ถูกต้องของส่วนแขน นอกจากนี้ยังเข้ามามีบทบาทเมื่อฉันกำลังมองหาการปรับขนาดที่ยอมรับได้สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางของล้อในข้อต่อระบบรอก ฉันยังใช้คณิตศาสตร์ในระหว่างการคำนวณที่ฉันทำสำหรับจำนวนล้อที่ฉันจะใช้ในข้อต่อข้อศอกเพื่อให้แขนสามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้น้ำหนักของแก้วกาแฟ นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการคำนวณโดยใช้กฎของโอห์มสำหรับการออกแบบวงจรและอินพุตแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 3: ภาพร่างการออกแบบทางวิศวกรรม

ภาพสเก็ตช์ที่ฉันได้จัดเตรียมไว้รวมถึงการออกแบบเบื้องต้นสำหรับ The Lazarus Arm ฉันเชื่อว่าการออกแบบยังคงทนทานเพียงพอสำหรับการใช้ในชีวิตประจำวันในขณะที่ยังคงความคุ้มทุนไว้มาก

ขั้นตอนที่ 4: การก่อสร้างปลายแขน

ฉันพูดถึงปริมาณและขนาดของชิ้นกระดาษแข็งในวิดีโอที่ฉันแนบมา แต่ฉันจะรวมรายการชิ้นส่วน ขนาด และปริมาณไว้ที่นี่ด้วย รายการที่ฉันได้รวมไว้ด้านล่างนี้เขียนขึ้นหลังจากการสร้างปลายแขน ดังนั้นหากมีความแตกต่างระหว่างมันกับวิดีโอ ฉันจะใช้รายการ

• 2 x กระดาษ ผ้าขนหนู ม้วน
• 4 x รอกแขน
• วงกลม 2 x เส้นผ่านศูนย์กลาง 3 นิ้ว
• 8 x วงกลม มีรูและเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 และ 3/16 นิ้ว
• 4 x ม้วนกระดาษทิชชู่ดัดแปลงความยาว 1 และ 7/8 นิ้ว
• วงกลม 12 x มีรูและเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 และ 6/8 นิ้ว
• 1 x ไม้เดือยเส้นผ่านศูนย์กลาง 3/8 นิ้วและความยาว 4 นิ้ว
• 2 x สี่เหลี่ยมผืนผ้า 7 และ 3/16 นิ้ว ยาว และ 3 นิ้ว กว้าง
• 2 x สี่เหลี่ยมผืนผ้า 7 และ 3/16 นิ้ว ยาว และ 1 และ 7/16 นิ้ว กว้าง
• 9 x สี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 1 และ 1/2 นิ้วในความยาวและความกว้าง
• 12 x สามเหลี่ยมมุมฉากพร้อมฐานและความสูง 1 และ 1/2 นิ้ว

ขั้นตอนที่ 5: การสร้างต้นแขน

โครงสร้างต้นแขนค่อนข้างเรียบง่ายแต่แข็งแรง ในการสร้างส่วนนี้ของ The Lazarus Arm คุณจะต้องมีบางส่วน ฉันได้รวมวิดีโอคำอธิบายของทุกส่วนที่จำเป็นแล้ว แต่ฉันต้องการให้แน่ใจว่าคำอธิบายนั้นครอบคลุมพอที่จะทำตามที่บ้านได้ ดังนั้นฉันจึงรวมรายการดังต่อไปนี้

• 4 x สี่เหลี่ยมผืนผ้า (ยาว 5 นิ้วและกว้าง 3 นิ้ว)
• 4 x สี่เหลี่ยมผืนผ้า (ยาว 5 นิ้วและกว้าง 1 และ 1/2 นิ้ว)
• วงกลม 2 x (เส้นผ่านศูนย์กลาง 3 นิ้ว)
• 2 x กระดาษดัดแปลง ผ้าขนหนู ม้วน (เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 นิ้วและยาว 1/2 นิ้ว)
• 9 x สี่เหลี่ยมจัตุรัส (1 และ 1/2 นิ้วทั้งสองด้าน)
• 8 x สามเหลี่ยมมุมฉาก (1 และ 1/2 นิ้วสำหรับฐานและความสูง)
• 2 x รูปร่างโค้งขนาดใหญ่ มีสองรู
• 4 x สี่เหลี่ยมผืนผ้ามีรู (ยาว 3 และ 1/2 นิ้วและกว้าง 3 นิ้ว)
• วงกลม 4 x มีรูตรงกลาง (เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 และ 1/2 นิ้ว)
• วงกลม 6 x มีรูตรงกลาง (เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 นิ้ว)
• 2 x 1/2 นิ้วสั้นกระดาษ ผ้าขนหนู ม้วนตัดความยาวตรงกลางด้านหนึ่ง
• 1 x ไม้เดือยไม้ (ยาว 4 นิ้วและเส้นผ่านศูนย์กลาง 3/8 นิ้ว)

ขั้นตอนที่ 6: การสร้างข้อมือ/ฝ่ามือ

ข้อมือ/ฝ่ามือของ The Lazarus Arm เป็นส่วนที่ยากที่สุดของการออกแบบ นอกเหนือจากระบบรอกที่ข้อศอก ส่วนหนึ่งของการออกแบบที่ฉันต้องดิ้นรนมากที่สุดคือวิธีสร้างการออกแบบที่สามารถหมุนได้โดยไม่สูญเสียความเสถียรทางโครงสร้างของการออกแบบ เมื่อฉันคิดวิธีแก้ปัญหาของฉัน ตอนแรกฉันคิดว่าฉันจะทำงานง่ายเกินไป แต่เมื่อฉันนำมันไปปฏิบัติ การทดสอบที่ฉันจัดการนั้นคงอยู่ ชิ้นส่วนสำหรับการก่อสร้างส่วนนี้ของ The Lazarus Arm มีการระบุไว้ด้านล่าง

• 6 x การออกแบบเทมเพลตปาล์มซึ่งควรปรับขนาดขึ้นหรือลงขึ้นอยู่กับผู้ใช้ (ยาวประมาณ 3 และ 1/2 นิ้วและกว้าง 3 นิ้ว)
• 2 x สี่เหลี่ยมผืนผ้า (ยาว 3 นิ้วและกว้าง 2 และ 1/2 นิ้ว)
• 2 x สี่เหลี่ยมผืนผ้า (ยาว 3 นิ้วและกว้าง 1 นิ้ว)
• 6 x สามเหลี่ยมมุมฉาก (ความสูงและฐาน 1 นิ้ว)
• 1 x วงกลม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 2 และ 5/16 นิ้ว)
• วงกลม 2 x พร้อมช่องสี่เหลี่ยมขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลาง 2 และ 5/16 นิ้ว)
• 1 x ไม้เดือยไม้ (ยาว 3 นิ้วและเส้นผ่านศูนย์กลาง 3/8 นิ้ว)
• 10 x Arch Design พร้อมรู (ยาวประมาณ 1 และ 1/2 นิ้วและกว้าง 1 นิ้ว)
• 2 x กระดาษชำระม้วนพร้อมคัตเอาท์สำหรับแม่แบบมือ

ขั้นตอนที่ 7: การสร้างนิ้ว/นิ้วหัวแม่มือ

การออกแบบนิ้วและนิ้วหัวแม่มือเกือบจะเหมือนกันทุกประการเพื่อความเรียบง่าย ความแตกต่างที่สำคัญคือนิ้วโป้งมีข้อต่อเท่านั้นในขณะที่นิ้วมีสามนิ้วและนิ้วหัวแม่มือมีมุมคล้ายกับมือมนุษย์ในตำแหน่งทางกายวิภาค ฉันได้แนบวิดีโออธิบายการสร้างนิ้วและนิ้วโป้ง ชิ้นส่วนที่แสดงค่อนข้างง่ายในการสร้าง แต่ต้องทำบางส่วนสำหรับชิ้นส่วนเหล่านี้

• ซุ้มโค้งขนาดใหญ่ขึ้น 48 x พร้อมรู (ความยาว 1 และ 1/2 นิ้วและความกว้าง 1 และ 1/4 นิ้วโดยมีรูอยู่ห่างจากด้านขวา 1 นิ้วและลดลง 1/4 นิ้ว)
• 13 x ซุ้มขนาดเล็กกว่าพร้อมรู (ความยาว 1 และ 1/2 นิ้วและความกว้าง 1 และ 1/2 นิ้วโดยมีรูอยู่ห่างจากด้านขวา 1/2 นิ้วและลง 1/4 นิ้ว)
• 13 x Arch (ยาว 3/4 นิ้วและกว้าง 1/2 นิ้ว)
• 6 x หลอดดูด (ความยาว 3/4 นิ้ว)
• 5 x หลอดดูด (ยาว 1/2 นิ้ว)
• 4 x หลอดดูด (ความยาว 1/4 นิ้ว)
• 4 x หลอดดูด (ยาว 1 และ 1/2 นิ้ว)
• 5 x ริบบิ้น (ยาว 12 นิ้ว)

ขั้นตอนที่ 8: การทดสอบ

เป้าหมายของขั้นตอนการทดสอบของ Lazarus Arm คือการพิสูจน์แนวคิดว่าเป็นไปได้ ฉันได้แนบวิดีโอซึ่งฉันเชื่อว่าเป็นการพิสูจน์แนวคิดในการออกแบบของฉัน ฉันคิดว่า Lazarus Arm ใช้งานได้ดีเมื่อพิจารณาจากวัสดุที่ใช้ในการสร้าง

ขั้นตอนที่ 9: การปรับปรุงในอนาคตที่เป็นไปได้

เมื่อมองดูโครงการโดยรวมแล้ว ฉันค่อนข้างพอใจกับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย สิ่งเดียวที่ฉันชอบทำคือดูว่าฉันสามารถสร้างงานพิมพ์ 3 มิติของชิ้นส่วนที่ฉันทำจากกระดาษแข็งได้หรือไม่ เพื่อดูว่ามันทนได้อย่างไรภายใต้แรงกดดันที่มากขึ้น นอกจากนั้น ฉันต้องการใช้เวลาปรับปรุงความสวยงามของแขน ฉันยังต้องการดูว่าฉันสามารถทำงานต่อในการออกแบบแขนเทียมนี้ต่อไปได้หรือไม่ เพื่อดูว่าฉันสามารถทดสอบการออกแบบนี้ในสถานการณ์ประจำวันได้หรือไม่

ขั้นตอนที่ 10: ปิดหมายเหตุ

ฉันต้องการแสดงให้เห็นว่าฉันมีความสุขเพียงใดกับการออกแบบขั้นสุดท้ายของ The Lazarus Arm ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าใช้งานได้จริงในงานประจำวันบางอย่างและใช้งานได้อย่างน่าประหลาดใจเมื่อพิจารณาจากวัสดุที่ทำขึ้น ฉันอยากจะขอบคุณมูลนิธิอิเสะมันที่มีโอกาสได้ทำโครงการแบบนี้ตลอดสี่ปีที่ผ่านมา ได้รับการศึกษาและความสนุกสนานอย่างไม่น่าเชื่อ การแข่งขันครั้งนี้เป็นเหตุผลหนึ่งที่ว่าทำไมฉันจึงเรียนวิชาเอกวิศวกรรมเครื่องกล เป็นเรื่องน่าเหลือเชื่อที่ได้เป็นส่วนหนึ่งของสิ่งนี้ตลอดหลายปีที่ผ่านมา และฉันไม่สามารถแสดงออกได้เลยว่าฉันรู้สึกขอบคุณแค่ไหน ขอบคุณ