XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Гидравлическая рука-манипулятор

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Поправко А.А. 1

---

1ГБОУ "Лицей №37 г. о. Донецк", 9

Иваницкая С.В. 1

---

1ГБОУ "Лицей №37 г. о. Донецк", 9

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.Введение.

Актуальность. В современном мире человек всё чаще сталкивается с задачами, которые невозможно выполнить вручную — из-за опасности, сложности или недоступности среды. Именно здесь на помощь приходят манипуляторы — механические устройства, способные воспроизводить движения человеческой руки с высокой точностью и надёжностью.

Целью моей работы стало конструирование макета руки-манипулятора и исследование принципа его работы с физической точки зрения.

Для достижения этой цели я должен решить следующие задачи:

1. Изучить научную и популярную литературу по исследуемой теме.

2. Изготовить самостоятельно макет руки-манипулятора из подручных материалов.

3. Провести экспериментальные исследования с помощью макета.

4. Проанализировать полученные данные и сделать вывод.

Объект исследования: макет руки-манипулятора.

Предмет исследования:

При исследовании передачи давления в макете руки-манипулятора изучаются следующие ключевые процессы:

Основные процессы при передаче давления в гидравлике

1. Гидростатическое давление

Распределение давления в замкнутой системе согласно закону Паскаля.

Влияние глубины, объёма и формы элементов на равномерность давления.

2. Работа гидроцилиндров

Преобразование давления жидкости в линейное движение.

Исследование хода поршня, силы на выходе, зависимости от площади и давления.

3. Потери давления

Трение в трубопроводах, сужениях, клапанах.

Утечки через уплотнения, соединения, микротрещины.

4. Регулирование давления

Работа предохранительных, обратных, дроссельных и регулирующих клапанов.

Автоматическое и ручное управление потоком и давлением.

5. Температурные влияния

Влияние нагрева жидкости на вязкость и давление.

Тепловое расширение компонентов и его влияние на точность.

6. Сенсорика и обратная связь

Использование датчиков давления для мониторинга и управления.

Реакция системы на изменение внешней нагрузки.

Гипотеза: возможно в домашних условиях создать модель руки-манипулятора с гидравлическим приводом?

Гипотеза исследования

В домашних условиях возможно создать функциональную модель руки-манипулятора с гидравлическим приводом, способную выполнять базовые движения за счёт передачи давления через жидкость.

Обоснование гипотезы

• Гидравлические принципы (закон Паскаля) реализуемы с помощью доступных материалов — шприцев, силиконовых трубок, воды или масла.

• Простые конструкции из дерева, пластика или 3D-печати позволяют воспроизвести сочленения и звенья манипулятора.

• Давление, создаваемое вручную (нажатие на шприц), может быть достаточным для демонстрации движения.

Методы исследования: изучение литературы и интернет-ресурсов, анализ, моделирование, проведение экспериментов, обобщение.

2. Основная часть.

2.1. Изучение научной информации по данной теме в сети Интернет.Закон Паскаля позволяет объяснить действие важного технического устройства  — гидравлической машины. Гидравлическая машина состоит из двух цилиндров разного диаметра, соединённых в нижней части трубкой, с плотно прилегающими к их стенкам поршнями.

Цилиндры и трубка заполнены маслом. Пока на поршни не действуют силы, в обоих цилиндрах высоты столбов жидкости одинаковы. Если подействовать на малый поршень площадью S1 силой F1. Внутри цилиндра под поршнем создаётся давление p = F1/S1. Это давление, согласно закону Паскаля, передаётся по всем направлениям без изменения. Поэтому на большой поршень оказывается такое же давление p. Так как площадь большого поршня S2, то жидкость будет действовать на него с силой F2  =  pS2  =  F1⋅S2/S1. Такую силу нужно приложить к большому поршню, чтобы он остался в покое. Последнее равенство можно записать как F2/F1=S2/S1. Поскольку S2 > S1, то сила F2 будет больше F1, т. е. чем больше площадь поршня, тем больше сила давления, действующая на него. Сила, действующая на большой поршень гидравлической машины, больше силы, действующей на малый поршень, во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого. Например, подействуем на малый поршень площадью S1 = 2 см^2 силой F1 = 240 Н. Тогда на большой поршень площадью S2 = 120 см^2 будет действовать сила давления F2 = 240 H• 120 см = 14 400. Используя цилиндры с поршнями разной площади, можно получить выигрыш в силе — действуя меньшей силой F1, создать силу F2, в S2/S1 раз бо́льшую. Рассмотрим работу гидравлического пресса  — устройства, предназначенного для создания высокого давления при обработке различных материалов.

Тело 1, которое необходимо сжать, помещают на соединённую с большим поршнем 2 платформу. При движениивниз малый поршень 3 оказывает на жидкость давление, которое передаётся в соответствии с  законом Паскаля большому поршню 2. При этом сила, действующая на него, больше, чем сила, действующая на малый поршень. Большой поршень поднимается, и тело, расположенное на платформе, сжимается. Жидкость из малого цилиндра в большой перекачивается с помощью малого поршня за несколько раз. Рассмотрим, как это происходит. При подъёме малого поршня под ним возникает пониженное давление и клапан 6 открывается, а клапан 7 закрывается под действием давления жидкости в большом цилиндре. В образующееся под поршнем пространство засасывается жидкость. При движении малого поршня вниз под давлением жидкости клапан  6 закрывается, одновременно открывается клапан 7, и жидкость переходит в большой цилиндр. Для контроля процессов давление жидкости в  прессе измеряют манометром 4. Если давление превышает допустимое значение, то автоматически открывается предохранительный клапан 5. В современных прессах и мощных домкратах вместо малого цилиндра, создающего давление в гидравлической системе, используются специальные насосы. В двигателе автомобиля подобный масляный насос создаёт давление в системе смазки автомобиля. Современные автомобили часто имеют дисковые тормоза на передних колёсах, а на задних — барабанные. И те и другие управляются давлением жидкости.

https://11klasov.net/191-fizika-7-klass-uchebnik-peryshkin-av.html

2.2. Изготовление макета руки-манипулятора.

Все необходимые детали и прочие принадлежности (гофрированный картон, шприцы, клей, силиконовые трубки, деревянные палочки) были куплены на маркетплейсе «OZON».

Для изготовления конструкции использовался гофрированный картон, это достаточно легкий, прочный и удобный при обработке материал. Все основные элементы манипулятора (рычаги, основание, крепёжные площадки) были вырезаны из картона канцелярским ножом по заранее подготовленным шаблонам.

В качестве гидроприводов применялись пластиковые шприцы (10 мл), соединённые между собой с помощью прозрачных силиконовых трубок. Соединение выполнялось плотно: наконечники шприцов вставлялись в трубки,при необходимости фиксировались термоклеем для герметичности. В качестве рабочей жидкости использовалась вода, так как она безопасна и легко заполняет систему.

Крепление подвижных частей производилось с помощью деревянных шпажек и металлических скрепок, выполняющих роль осей вращения. Для увеличения прочности места соединений дополнительно проклеивались клеем.

2.3. Проведение эксперимента по изучению работы гидравлической руки-манипулятора

Суть эксперимента в передвижении деталей засчет давления воды. При давлении на шприц, вода перемещается по трубке и давление соответственно передается другому шприцу, который связан с деталями, отвечающими за передвижение манипулятора вокруг своей оси и механизм захвата.

Таким образом, опыт показывает:

1. Что жидкость практически несжимаема и передаёт давление во все стороны;

2. Как можно преобразовать усилие руки человека в движение механизма;

3. Принцип работы реальных гидравлических устройств (подъёмных кранов, экскаваторов, манипуляторов).

Что делали:

Вырезали из гофрированного картона детали манипулятора: рычаги, основание, крепёжные элементы.

2. Соединили детали с помощью деревянных шпажек и скрепок, создав подвижные соединения (суставы).

3.Подготовили гидравлическую систему: шприцы, соединённые силиконовыми трубками, залили водой.

4. Подсоединили шприцы к рычагам манипулятора.

5.Проверили работу системы, надавливая на один шприц и наблюдая движение другого шприца и рычагов манипулятора.

Что получили:

1.Манипулятор смог выполнять движения за счёт гидравлической передачи давления.

2.Демонстрируется принцип работы гидравлики: движение и усилие передаются через жидкость.

3.Было видно, как маленькое усилие на одном шприце приводит к движению механизма на другом конце.

4.Получен наглядный опыт преобразования усилия человека в движение механизма через гидравлическую систему.

2.4. Применение модели руки-манипулятора.

Применение руки-манипулятора разнообразно:

- в промышленности — для сборки, сварки, перемещения тяжёлых деталей;

- под водой — для ремонта кабелей, сбора проб, исследований на глубине;

- в космосе — для захвата спутников, сборки конструкций, работы в открытом пространстве;

- в медицине — в хирургии, протезировании, реабилитации.

Они не устают, не боятся давления, холода или вакуума. Их точность превышает человеческую, а способность работать в экстремальных условиях делает их незаменимыми в науке, технике и спасательных операциях. Таким образом, рука-манипулятор — это не просто механизм это инструмент, расширяющий границы человеческих возможностей и открывающий путь к новым формам взаимодействия с окружающим миром.

В первую очередь, макет руки-манипулятора можно использовать для демонстрации принципов кинематики, гидравлики, механики: закон Паскаля (это основной принцип работы гидравлики: при нажатии на поршень давление передаётся по трубке и вызывает движение другого поршня), принцип сообщающихся сосудов (можно показать, как изменение высоты одного поршня влияет на уровень жидкости в другом), закон сохранения энергии (механическая энергия руки (движение поршня) возникает за счёт давления жидкости, которое создаётся вручную или насосом), механическое преимущество (если один поршень больше другого, можно показать, как небольшое усилие приводит к большому выходному усилию).

В образовательных целях можно использовать таким образом:

Принцип работы: Гидравлика и механика

1. Энергетическая база: источник питания

На большинстве машин гидросистема питается от двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

От вала двигателя через механическую передачу (ремень, шестерня) приводится в действие гидронасос.

Насос — это центральный элемент, создающий давление в замкнутой системе.

Типы насосов:

Шестерёнчатые — простые, надёжные;

Поршневые — высокоэффективные, могут регулировать давление;

Пластинчатые — компромисс между производительностью и стабильностью.

2. Гидравлическое давление: как создаётся

Насос всасывает масло из гидробака (атмосферное давление помогает ему).

Затем он выталкивает масло под высоким давлением в напорную магистраль.

3.Система управления: распределители

Рычаг перемещает золотник внутри клапана.

Золотник открывает один канал и закрывает другой — создаётся поток масла в нужную сторону. В современных системах используются пропорциональные распределители, где оператор управляет скоростью и силой электрическим сигналом от джойстика, а не механическим усилием.

4.Актюаторы: гидроцилиндры

Устройство цилиндра:

Цилиндр — металлическая труба, внутри которой движется поршень, прикреплённый к штоку.

Поршень делит цилиндр на две камеры: поршневую и штоковую.

В каждую из них может поступать вода — создавая движение вперёд или назад.

Принцип работы:

При подаче воды в одну из камер:

Масло толкает поршень. Поршень передаёт усилие через шток на рычаг манипулятора. Из другой камеры масло вытесняется в обратку (в бак).

Величина силы определяется:

Давлением масла (P, Па);

Площадью поршня (A, м²);

Уравнение: F = P × A.

5.Механика стрелы: кинематика манипулятора

Составные части:

1.Башня/поворотная колонна — основание, может поворачиваться (отдельный цилиндр).

2.Основание стрелы (колено) — первый сегмент, поднимается вверх-вниз.

3.Второй сегмент (рукоять) — шарнирно соединён с первым.

4.Выдвижная секция (телескоп) — может удлиняться цилиндром.

5.Концевое оборудование — грейфер, крюк, палец, магнит и т.д.

Движения:

Все движения непрерывно координируются: цилиндры работают синхронно, чтобы переместить груз по заданной траектории.

Это требует точного распределения потока — чем точнее, тем выше управляемость.

6. Грейфер или захват: исполнительный механизм

Это конечный орган, который взаимодействует с объектом. Он тоже имеет собственный цилиндр или пару цилиндров:

Например, две створки грейфера открываются/закрываются при сжатии/расширении цилиндра.

Давление в этих цилиндрах часто регулируется отдельно, так как усилие захвата критично.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И УЗЛЫ

Поворотный механизм:

1. Позволяет вращать стрелу вокруг вертикальной оси.

2. Обычно работает от гидромотора или пары поворотных цилиндров.

3. Может иметь зубчатую передачу (например, червячную) с редуктором.

ЦИКЛ ПОЛНОЙ ОПЕРАЦИИ (пример: поднять и переместить бревно)

1. Площадь поршня

А = π⋅D^2/4 = 3.1416⋅(0.013)^2/4 ≈1.327⋅10^−4 м^2

2. Давление, создаваемое пальцем

Если человек нажимает с силой 20 Н:

P = F/A = 20/1.327⋅10^-4 ≈150,752Па=0.15МПа

То есть, обычное нажатие создаёт давление около 0.15 МПа (1.5 бар)

3.Сила на втором шприце

4.Если оба шприца одинаковые (оба по 10 мл, одинаковые диаметры), то:

Fвыход = P⋅A = 150,752⋅1.327⋅10−4≈20Н

Как и ожидалось — сила переносится один к одному, так как площадь одинаковая.

Если второй шприц больше, сила на нём будет больше — по закону Паскаля.

5. Объём жидкости на ход 30 мм (0.03 м)

V = A⋅s = 1.327⋅10−4⋅0.03 = 3.98⋅10^−6м^3 = 3.98мл

Чтобы полностью выдвинуть шток на 3 см, нужно примерно 4 мл воды.

6. Масса, которую может поднять система:

Сила, которую создаёт один шприц = 20 Н
Вес тела:

F = m⋅g ⇒ m = F/g = 20/9.81 ≈2.04 кг

\ Теоретически: можно поднять до 2 кг,
Но с учётом трения, потерь и слабости картона — реалистично не более 300–500 г

6. Время перемещения

Допустим, человек вдавливает шприц на 3 см (0.03 м) за 1 секунду:

Объём: ~4 мл

Поток:

Q = V/t = 3.98⋅10^-6/1 = 3.98⋅10−6м3/с=0.24л/мин

СВОДНАЯ ТАБЛИЦА

Жизнь без этой техники очень тяжело представить, и она уже постепенно внедряется в нашу повседневную жизнь. Например, манипуляторы много помогают в химических, радиохимических, аналитических и биологических лабораториях. Роботы-манипуляторы дозируют реагенты, перемещают пробирки, проводят автоматические тесты. Это снижает риск ошибок и защищает персонал от токсичных веществ. Роботы загружают образцы в спектрометры, хроматографы и другие приборы, обеспечивая стабильность и повторяемость измерений. В зонах с радиацией манипуляторы работают за защитным стеклом, управляемые дистанционно — перемещают контейнеры, проводят анализы, обслуживают оборудование. В микробиологии и генетике манипуляторы помогают в ПЦР-анализе, секвенировании ДНК, работе с клеточными культурами — особенно в стерильных условиях, где важно исключить человеческий фактор.

Манипуляторы как замена конечностей - это уже не фантастика, а реальность бионического протезирования. Сейчас это довольно распространенная проблема, и для нееобязательно должно быть решение.

Что такое манипулятор-протез? Это искусственная конечность, которая может выполнять движения, схожие с настоящими руками или ногами.

Заключение

Можно использовать макет на основе руки-манипулятора для научных демонстраций - например, моделирование движения суставов, биомеханики. Прототип протеза - особенно если конструкция повторяет движения руки. Также макет был бы полезен в качестве тренажёра для восстановления моторики - можно использовать в физиотерапии. Если подключить программирование или искусственный интеллект, то он бы послужил хорошим ассистентом для людей с ограниченными возможностями.

На данный момент, область бионического протезирования - это наиболее актуальная область для развития манипуляторов, ведь многие нуждаются в замене конечностей. Солдаты, которые храбро защищают наше Отечество, могут лишиться рук, ног. Мы живём в такое время, когда есть возможность не остаться без любимого дела, занятия, хобби из - за потери конечностей.

Автоматизация начинает появляться и в сценическом, и в художественном искусстве. Аниматронная рука - для театра, концертов, перформансов. Учитывая программирование можно использовать, как интерактивный элемент шоу - реагирует на звук, движение, свет. Это было бы не менее актуальное применение для такой технологии.

Значение технологий манипуляторных рук в жизни человека

Гидравлические и бионические манипуляторы — это не просто инженерные достижения, а символы расширения человеческих возможностей. Они играют ключевую роль в медицине, промышленности, образовании и даже искусстве, позволяя человеку:

Восстанавливать утраченное — бионические протезы возвращают людям свободу движения, независимость и уверенность.

Управлять опасным и точным — в промышленности манипуляторы работают там, где человеку опасно: в химии, ядерной энергетике, космосе.

Учиться через практику — в образовании они помогают наглядно изучать физику, механику, программирование.

Выражать себя — в театральных и художественных проектах манипуляторы становятся частью перформанса, соединяя технику и эмоции.

В конечном счёте, такие технологии — это продолжение человеческой руки, но с усиленными возможностями. Они не заменяют человека, а расширяют его границы, превращая идею «рука — продолжение мысли» в реальность.

Список литературы

1. Катапульты — метательные машины древности: от пращи и лука до гастрафета, арбалета, анагра и требушета//РобоВики : [сайт]. – 2025. - URL: https://robo-wiki.ru/robotics-blog/throwing-machines-of-antiquity (дата обращения: 22.12.2024).

2. Большая российская энциклопедия : официальный сайт. – Москва, 2017. - URL: https://old.bigenc.ru/military_science/text/2051933 (дата обращения: 10.12.2024).

3. Баллистика. Бросок под углом к горизонту // Школково : [сайт]. - URL: https://3.shkolkovo.online/theory/604?SubjectId=4 (дата обращения: 10.01.2025).

4. Федеральный институт промышленной собственности : официальный сайт. – Москва, 2019. - URL: https://www.fips.ru/iiss/search_res.xhtml?faces-redirect=true(дата обращения: 15.01.2025).

5. Морозов, Н.П. Практикум по работе с приложением MS Excel. Задания 1 – 12. Офисные приложения: учеб. Пособие / Н.П. Морозов. – Москва : Издательство ООО "Издательские решения", 2024. – 49 с.

6. Кильдишов, В. Д. Решение задач стрельбы и баллистики с использованием MS Excel и VBA: учеб. пособие / В. Д. Кильдишов, И. П. Пунин. — Москва: Солон-пресс, 2023. — 280 с.

Приложения:

Приложение 1. Схема макета руки-манипулятора

Чертёж или фотография модели.

Указание основных элементов: гидроцилиндры, трубки, сочленения, рабочие звенья.

Приложение 2. Принципиальная гидравлическая схема

Схема передачи давления: насос (или шприц), трубки, цилиндры.

Обозначение направления потока жидкости.

Приложение 3. Фото этапов сборки макета

Пошаговая визуализация процесса создания модели.

Комментарии к каждому этапу.