De Lazarus-arm: 10 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Om te beginnen wil ik u bedanken voor uw interesse in mijn project. Mijn naam is Chase Leach en ik ben een senior in de WBASD S. T. E. M. Academie. Dit project is een inzending voor de Butwin Elias Science and Technology Award 2019-2020. De Lazarus-arm is een uniek prothetisch ontwerp voor zover het alleen materialen gebruikt die in het hele huis te vinden zijn, met uitzondering van de motoren en Arduino Uno die afkomstig zijn uit eerdere projecten die ik heb ontworpen. Dit jaar heb ik geen toegang tot een 3D-printer, dus het ontwerp van de arm was een beetje lastig omdat ik met karton werkte voor veel van de structurele componenten van The Lazarus Arm. Het doel van dit project is om een werkend model te maken dat het concept van mijn ontwerp kan demonstreren. Gezien de beperkte middelen vind ik het uiteindelijke ontwerp best goed gelukt. Bedankt voor de kans om mee te doen aan deze wedstrijd. Het heeft ervoor gezorgd dat ik zoveel plezier heb kunnen beleven. Deze wedstrijd heeft voor mij dierbare herinneringen gecreëerd. Het ontwerpen van de Lazarus-arm en het overwinnen van de uitdagingen die het bood, heeft me veel geleerd. Bedankt voor uw tijd en aandacht en zonder verder adieu hoop ik dat u geniet.

Benodigdheden

Alle benodigdheden die ik gebruikte waren al beschikbaar voor mij, maar ik heb een lijst met de theoretische kosten toegevoegd naast de materialen.

Benodigdheden & kosten

• Kartonnen doos 12 x 12 x 16 ($ 0,82)
• Heet lijmpistool ($ 4,99)
• Heet lijmpistool Sticks ($ 3,97)
• Plakband ($ 6,80)
• 4 x papieren handdoekrollen ($ 9,98)
• 2 x toiletpapierrollen ($ 6,99)
• (Bedrag: 8) MG90S Tower Pro-servomotoren (totale kosten: $ 23,99)
• 1 x Arduino MEGA 2560 R3-kaart (totale kosten: $ 12,95)
• Draad ($ 8,76)
• ProtoBoard ($ 5,99)
• Rietjes ($ 2)
• Lint ($ 3,29)

Stap 1: Tijd die nodig is voor de bouw

De tijd die aan dit project werd besteed vloog voorbij tijdens het werken aan het ontwerp en de constructie van de arm. Het deel van het project dat ik vooral leuk vond, was het ontwerp van het ellebooggewricht, omdat het een methode van verbindingsconstructie in robotica gebruikt die een katrolsysteem gebruikt om de hoeveelheid werkoutput te vergroten. Het ontwerp van The Lazarus Arm nam in totaal 63 uur in beslag, inclusief onderzoek om de meest effectieve manier te vinden om het uiteindelijke ontwerp zo kosteneffectief mogelijk te maken. De montage van The Lazarus Arm kostte in totaal 15 uur en veel hete lijm. Het testen was interessant omdat het oorspronkelijke ontwerp van de prothese de neiging had om vast te lopen als gevolg van de wrijving die werd veroorzaakt door de tandzijde die werd gebruikt in het katrolsysteem in de elleboog. Het enige wat ik deed was de diameter van de wielen verkleinen en het werkte. De testfase duurde in totaal 12 uur. De programmeerfase van het project kostte me in totaal 10 uur, exclusief de tijd die ik nodig had om mijn C++-vaardigheden bij te werken.

Stap 2: S. T. E. M. Toepassingen

Wetenschap- In mijn project is de wetenschap betrokken bij het ontwerp van het protoboard-ontwerp, waardoor het vermogen kon worden verdeeld tussen de servomotoren in het ontwerp. Het speelt ook een rol in de fysica die betrokken is bij het ontwerp van de structuur van de arm. Meer specifiek het ontwerp van het katrolsysteem in het ellebooggewricht dat de arm een aanzienlijk mechanisch voordeel geeft waardoor de arm meer kan optillen dan anders, met dank aan Archimedes.

Technologie- Het technologische aspect van mijn project kwam in het spel toen ik de beweging van de prothetische arm codeerde met C++. Het kwam ook in het spel toen ik de motoren en het Arduino-bord installeerde.

Engineering- Engineering kwam in het spel toen ik de handpalm, de vingers, de duim, het polsgewricht, de onderarm, de elleboog en de bovenarm ontwierp. Het speelde een rol bij de herontwerpen, de identificatie van problemen wanneer ze zich voordeden en de oplossingen die ik voor de problemen bedacht.

Wiskunde- De wiskunde die betrokken was bij het maken van de hand kwam in het spel toen ik op zoek was naar de juiste anatomische verhoudingen van de armsegmenten. Het kwam ook in het spel toen ik op zoek was naar acceptabele maataanpassingen voor de diameters van de wielen in de koppeling van het katrolsysteem. Ik gebruikte ook wiskunde tijdens de berekeningen die ik maakte voor het aantal wielen dat ik in het ellebooggewricht zou gebruiken om de arm in staat te stellen te bewegen onder het gewicht van een koffiemok. Het speelde ook een rol bij de berekening die werd gemaakt door de toepassing van de wet van Ohm voor het circuitontwerp en de vereiste spanningsinvoer.

Stap 3: Schetsen van technisch ontwerp

De schetsen die ik heb verstrekt, omvatten mijn eerste ontwerp voor The Lazarus Arm. Ik geloof dat het ontwerp erin slaagt stevig genoeg te blijven voor dagelijks gebruik en toch aanzienlijk kosteneffectief blijft.

Stap 4: Onderarmconstructie

Ik vermeld de hoeveelheid en afmetingen van de kartonnen stukken in de video die ik heb bijgevoegd, maar ik zal hier ook een lijst van de stukken, afmetingen en hoeveelheden opnemen. De lijst die ik hieronder heb toegevoegd, is geschreven na de constructie van de onderarm, dus als er verschillen zijn tussen de onderarm en de video, zou ik de lijst gebruiken.

• 2 x papieren handdoekrollen
• 4 x katrolarm
• 2 x cirkels met een diameter van 3 inch
• 8 x cirkels met gat en diameter van 2 en 3/16 inch
• 4 x gemodificeerde papieren handdoekrollen met een lengte van 1 en 7/8 inch
• 12 x cirkels met gat en diameter van 1 en 6/8 inch
• 1 x houten deuvel Diameter van 3/8 inch en lengte van 4 inch
• 2 x rechthoek van 7 en 3/16 inch lengte en 3 inch breedte
• 2 x rechthoek van 7 en 3/16 inch lengte en 1 en 7/16 inch breedte
• 9 x vierkant van 1 en 1/2 inch in lengte en breedte
• 12 x Rechthoekige Driehoeken Met 1 en 1/2 inch Basis en Hoogte

Stap 5: Bovenarmconstructie

De bovenarmconstructie is vrij eenvoudig maar stevig. Om dit deel van The Lazarus Arm te bouwen, heb je een aantal onderdelen nodig. Ik heb een video-uitleg van alle benodigde stukken toegevoegd, maar ik wilde er zeker van zijn dat de uitleg uitgebreid genoeg was om thuis te volgen, dus heb ik hieronder een lijst opgenomen.

• 4 x rechthoek (5 inch lang en 3 inch breed)
• 4 x rechthoek (5 inch lang en 1 en 1/2 inch breed)
• 2 x cirkel (3 inch in diameter)
• 2 x gemodificeerde papieren handdoekrol (1 inch in diameter en 1/2 inch in lengte)
• 9 x vierkant (1 en 1/2 inch aan beide zijden)
• 8 x rechthoekige driehoeken (1 en 1/2 inch voor basis en hoogte)
• 2 x grote boogvorm met twee gaten
• 4 x rechthoek met een gat (3 en 1/2 inch lang en 3 inch breed)
• 4 x cirkel met gat in het midden (1 en 1/2 inch in diameter)
• 6 x cirkel met gat in het midden (1 inch in diameter)
• 2 x 1/2 inch kortere papieren handdoekrollen verkorten de lengte in het midden van één zijde
• 1 x houten deuvel (4 inch lang en 3/8 inch diameter)

Stap 6: Pols-/palmconstructie

De pols/palm van The Lazarus Arm was eigenlijk een van de moeilijkste onderdelen van het ontwerp, behalve het katrolsysteem in de elleboog. Het deel van het ontwerp waar ik het meest mee worstelde, was hoe ik een ontwerp kon maken dat in staat zou zijn om te draaien zonder de structurele stabiliteit van het ontwerp op te offeren. Toen ik de oplossing voor mijn probleem bedacht, dacht ik aanvankelijk dat ik te simplistisch zou zijn om te werken, maar toen ik het in de praktijk bracht, hield het stand tegen de tests die ik aflegde. De onderdelen voor de constructie van dit onderdeel van The Lazarus Arm staan hieronder vermeld.

• 6 x Palm-sjabloonontwerpen die afhankelijk van de gebruiker groter of kleiner moeten zijn (ongeveer 3 en 1/2 inch lang en 3 inch breed)
• 2 x rechthoek (3 inch lang en 2 en 1/2 inch breed)
• 2 x rechthoek (3 inch lang en 1 inch breed)
• 6 x rechthoekige driehoeken (hoogte en basis van 1 inch)
• 1 x cirkel (2 en 5/16 inch in diameter)
• 2 x cirkel met kleine rechthoekige uitsparing (2 en 5/16 inch in diameter)
• 1 x houten deuvel (3 inch lang en 3/8 inch in diameter)
• 10 x boogontwerp met gat (ongeveer 1 en 1/2 inch lang en 1 inch breed)
• 2 x toiletpapierrollen met uitsparing voor handsjabloon

Stap 7: Vinger/duimconstructie

De vinger- en duimontwerpen zijn omwille van de eenvoud bijna precies hetzelfde. De belangrijkste verschillen zijn dat de duim alleen gewrichten heeft, terwijl de vingers er drie hebben en de duim een hoek heeft die vergelijkbaar is met een menselijke hand in anatomische positie. Ik heb een video bijgevoegd waarin de constructie van de vingers en duim wordt uitgelegd. De getoonde stukken zijn vrij eenvoudig te maken, maar voor deze onderdelen moeten er nogal wat worden gemaakt.

• 48 x grotere bogen met een gat (1 en 1/2 inch lang en 1 en 1/4 inch breed met gat op 1 inch van rechts en 1/4 inch naar beneden)
• 13 x kleinere bogen met een gat (1 en 1/2 inch lang en 1 en 1/2 inch breed met gat 1/2 inch van rechts en 1/4 inch naar beneden)
• 13 x boog (3/4 inch lang en 1/2 inch breed)
• 6 x rietjes (3/4 inch lang)
• 5 x rietjes (1/2 inch lang)
• 4 x rietjes (1/4 inch lang)
• 4 x rietjes (1 en 1/2 inch lang)
• 5 x lint (12 inch lang)

Stap 8: Testen

Het doel van de testfase van de Lazarus Arm is om te bewijzen dat het concept haalbaar is. Ik heb een video bijgevoegd die volgens mij het concept van mijn ontwerp bewijst. Ik denk dat The Lazarus Arm best goed werkt, gezien de materialen die zijn gebruikt om het te maken.

Stap 9: Mogelijke toekomstige verbeteringen

Als ik naar het project als geheel kijk, ben ik best tevreden met het eindproduct. Het enige dat ik graag zou willen doen, is kijken of ik een 3D-print kan maken van de onderdelen die ik van karton heb gemaakt om te zien hoe het onder nog grotere druk standhoudt. Verder wil ik graag de tijd nemen om de esthetiek van de arm te verbeteren. Ik zou ook graag willen zien of ik aan dit armprotheseontwerp kan blijven werken om te zien of ik het ontwerp in sommige alledaagse omstandigheden kan testen.

Stap 10: Slotopmerkingen

Ik wil graag uitdrukken hoe blij ik ben met het uiteindelijke ontwerp van The Lazarus Arm. Het heeft bewezen levensvatbaar te zijn voor gebruik bij sommige alledaagse taken en is verrassend functioneel gezien de materialen waarvan het is gemaakt. Graag zou ik even de tijd willen nemen om de Iseman Foundation te bedanken voor de mogelijkheid om de afgelopen vier jaar aan dit soort projecten te mogen werken. Het was ongelooflijk leerzaam en leuk. Deze wedstrijd is een van de redenen waarom ik een major werktuigbouwkunde volg. Het was ongelooflijk om hier door de jaren heen deel van uit te maken en ik zou nooit kunnen uitdrukken hoe dankbaar ik ben, dank je.