Секретариат программы «Шаг в будущее» Почтовый адрес

Вид материала

Содержание

Инструментально-алгоритмические методы оценки эмоционального состояния человека

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Литература:

Юревич Е.И. Основы робототехники, 2-е издание. Учебное пособие. Изд-во «БХВ-Петербург», 2005.
Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами, 2-е издание. Учебник. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ

Виноградов Дмитрий Вячеславович,

кандидат технических наук, доцент кафедры

«Инструментальная техника и технология» МГТУ им. Н.Э.Баумана

При проектировании различных изделий и подготовке их производства возникает ряд конструкторских, дизайнерских, технологических и организационных проблем. Вот некоторые из них:

Конструктору, разрабатывающему компоновку и внешний вид изделия, необходимо проверить создаваемый объект в действии, при взаимодействии с людьми и другими техническими объектами. Современные компьютерные системы твердотельного моделирования упростили такую проверку. Однако отверстия, внутренние полости и каналы, криволинейные поверхности зачастую приводят к трудностям в понимании конструкции деталей даже конструкторами и технологами, имеющим большой опыт в чтении чертежей и CAD-изображений. Это вызывает появление ошибок, увеличение времени подготовки производства и затрат средств. Оценка изделия будет производиться более адекватно, если конструктор может потрогать и подержать в руках его физический прототип, повертеть и посмотреть на него со всех сторон.

Чтобы проверить собираемость, разбираемость, ремонтопригодность изделия, значение механических, кинематических, аэродинамических и других характеристик конструкции, требуется провести натурные испытания. Для простых сборных конструкций возможность сборки, разборки, ремонта можно оценить, по чертежу, но для сложных изделий принято выполнять такую проверку путем реальной сборки модели. При тестировании кинематических характеристик проверяется, функционируют ли движущиеся части сборной конструкции так, как это задумывалось, не сталкиваются ли они между собой, не мешают ли одни детали движению других. Оценку коррозионностойкости, теплостойкости, механических, усталостных, аэродинамических и других характеристик изделий производят или на образцах или на полноразмерных моделях.

Инженеру, занятому подготовкой производства, необходимо спроектировать и изготовить специальные дорогостоящие приспособления и инструменты (штампы, пресс-формы, литейные формы и др.). Технологу необходимо отработать технологию изготовления сложных деталей. Маркетологу, обеспечивающему продвижение изделия на рынке, необходим выставочный образец изделия, чтобы узнать мнение покупателей о нем еще до начала его производства. Дизайнеру для эстетической оценки дизайна физический объект также необходим.

Эти и подобные проблемы решаются при использовании моделей будущих изделий в натуральную величину, выполненных из легко обрабатываемых материалов. Однако изготовление моделей сложных деталей (блока цилиндров двигателя, крыла самолета и др.) является трудоемким и длительным процессом и может занимать несколько месяцев. Технологии послойного прототипирования деталей позволяют сократить эти сроки до нескольких дней.

Прототипирование – это создание полноразмерной физической модели объекта по виртуальной (компьютерной) модели (рис.1).

Суть послойного прототипирования заключается в следующем. Сначала при помощи компьютера и специальных программ трехмерного моделирования создается геометрическая объемная (3D) модель детали – CAD-модель.

При помощи специальных программ CAD-модель разбивают на множество слоев толщиной от 0,01 до 0,3 мм. Описание слоев хранится в памяти компьютера как набор точек, причем если материала в данной точке слоя есть, то компьютер хранит 1, если материала нет, то – 0. Затем каждый слой компьютерной модели "материализуется" различными методами – создается физическая модель детали. Для "материализации" моделей используют различные методы, такие как:

- лазерная и масочная стереолитография;

- избирательное спекание частиц порошка лучом лазера;

- нанесение слоя термопластичного материала, находящегося в жидком состоянии, и последующее его отверждение (наплавление);

- вырезка по контуру листового материала и склейка полученных листов (ламинирование);

- связывание твердых частиц путем нанесения клейкого жидкого связующего вещества (трехмерная печать);

Рассмотрим эти методы подробнее.

1. При лазерной и масочной стереолитографии используют специальные фоточувствительные полимеры, затвердевающие под воздействием света: при лазерной стереолитографии – света лазера, при масочной – ультрафиолетового света.

Синтез детали методом лазерной стереолитографии начинается с нижнего слоя детали. Подвижный стол погружается в ванну на толщину первого слоя. Затем ракельный нож (ракель) проходит от передней стенки ванны к задней (или наоборот), удаляет излишек полимера с детали, после чего начинает работать лазер. В сканирующую систему лазера загружается информация о первом сечении модели, и лазерный луч освещает только те участки сечения, где должен быть материал детали. Под воздействием света лазера полимер затвердевает. Точки сечения детали, в которых материала нет, не подвергаются воздействию лазерного луча, и отвердевание полимера в них не происходит (рис.2).

После отрисовки лазером первого слоя подвижный стол опускается на толщину второго слоя (обычно на 0,0025…0,3 мм), и процесс нанесения полимера и сканирования лазером повторяется. И так далее, до тех пор, пока все слои детали не будут синтезированы. В результате получаем заданную деталь, изготовленную из полимера.

В этой технологии используется достаточно твердый, но хрупкий полупрозрачный материал, подверженный короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается.

Прототипировании методом масочной стереолитографии (solid ground curing, SGC) очень похоже на лазерную стереолитографию, но в здесь отверждение полимера происходит при экспонировании ультрафиолетовым светом через фотомаску (трафарет), прозрачную только в тех местах, где должен быть материал детали.

Процесс масочной стереолитографии состоит из следующих этапов:

1) Для каждого слоя детали изготавливается оптическая маска, пропускающая ультрафиолетовый свет только в тех местах, где должен быть материал детали.

2) После выравнивания платформа покрывается тонким слоем жидкого фотополимера.

3) Над поверхностью жидкого полимера помещается маска, соответствующая текущему слою, и полимер экспонируется (освещается) светом мощной ультрафиолетовой лампы.

4) Оставшаяся жидкость удаляется с изделия.

5) Изделие покрывается слоем жидкого воска, который заполняет пустоты. Затем к воску прикладывается холодная пластина, и он затвердевает.

6) Излишки воска удаляются.

7) Готовая часть изделия покрывается тонким слоем жидкого полимера, и этапы 3-6 повторяются для каждого последующего слоя, пока не будет обработан самый верхний слой.

8) Воск расплавляется и удаляется из готовой детали.

2. Метод избирательного лазерного спекания напоминает метод лазерной литографии – "материализация" слоев детали происходит при сканировании слоя лазерным лучом. Но в отличие от литографии при спекании используют порошок, частицы которого расплавляются попавшим на них лазерным лучом и свариваются между собой. Для спекания можно использовать как легкоплавкие порошки полимеров (полиамида, полистирола), так и порошки металлов, близкие по свойствам к конструкционным маркам. Но в этом случае необходимо или использовать лазер повышенной мощности, или покрыть частицы металлического порошка термопластическим связующим материалом, расплавить который может и маломощный лазер.

Лазерное спекание – это единственная технология, которая может быть применена для изготовления металлических деталей и пресс-форм для пластмассового и металлического литья сразу из металла, минуя стадии изготовления промежуточных полимерных моделей, литья и механической обработки.

3. При использовании для прототипирования метода наплавления (fused-deposition modeling, FDM) каждый слой формируется путем выдавливания термопластичного материала, находящегося в жидком состоянии, на охлаждаемую основу. Температура выдавливаемого материала незначительно превышает температуру его затвердевания: это аналогично созданию надписей на торте шоколадным кремом. Каждый слой ложатся на предыдущий, отвердевает и соединяется с нижним.

Технология применяется для получения единичных образцов изделий, по своим функциональным возможностям приближенных к серийным, а также для производства выплавляемых моделей для литья металлов.

4. По методу ламинирования (laminated object manufacturing, LOM) деталь изготавливается путем лазерной резки листовых материалов и последующего спекания листов (ламинирования). Процесс выполняется следующим образом.

Лист бумаги, тонкого пластика или металлической фольги с нанесенным на него термоадгезионным покрытием подается из рулона на рабочий стол, после чего по нему прокатывают разогретый ламинирующий валик. В результате лист приклеивается к платформе и образует первый слой.

После того как слой (лист) приклеен, лазер вырезает контур текущего поперечного сечения. Обратите внимание: здесь сканирование производится только по контурам, что делает данный процесс более эффективным, чем процессы, использующие сканирование. Области слоя, выходящие за пределы контуров, рассекаются лазером на маленькие кусочки, называемые черепичками.

После вырезки платформа опускается на толщину одного листа. Затем подается следующий лист, который прикрепляется к предыдущему листу ламинирующим валиком, вырезается контур лазером и т.д. до тех пор, пока не будет наклеен и вырезан верхний слой детали. Готовая деталь находится внутри блока скрепленных листов. Для ее извлечения ненужный материал (черепички) разламывают и удаляют.

5. Метод трехмерной печати – это метод прототипирования, названный так из-за своей схожести с печатью на струйном принтере. В трехмерной печати вместо чернил используется жидкое связующее вещество. Процесс трехмерной печати осуществляется так.

На платформу наносят слой керамического порошка необходимой толщины. Затем происходит «печать» слоя – из сканирующей печатающей головки в требуемые точки модели поступает жидкое связующее вещество. Проникая в поры между частицами порошка, связующее вещество формирует из них жесткую структуру. Слипшиеся частицы и образуют тело детали. После изготовления последнего слоя из полостей детали удаляются несклеенные частицы порошка и проводится тепловая обработка (спекание) для полного отверждения детали.

Разновидностями метода трехмерной печати можно считать методы струйного моделирования и склеивания порошков.

По технологии струйного моделирования (Ink Jet Modelling) головка, содержащая от двух до 96 сопел наносит модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя. После нанесения слоя, может проводится его фотополимеризация и механическое выравнивание. В качестве поддерживающего материала обычно используется воск, а в качестве модельного – широкий спектр материалов, очень близких по свойствам к конструкционным термопластам. Данный метод позволяет получать прозрачные и окрашенные прототипы с различными механическими свойствами – от мягких, резиноподобных до твердых, похожих на пластики.

В технологии склеивания порошков (binding powder by adhesives) используются крахмально-целлюлозный порошок и жидкий клей на водяной основе, который поступает из струйной головки и связывает частицы порошка, формируя контур модели. По окончании построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели, имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Такие технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их.

Методы послойного прототипирования нашли широкое применение при изготовлении оснастки (литейных форм, пресс-форм и литейных моделей) для технологических процессов литья различных видов, а также для измерения характеристик изделий в аэродинамической трубе и механических напряжений, возникающих в сложных деталях, и др.

Широко начало применяться прототипирование в архитектуре для создания недорогих моделей зданий и сооружений любой сложности. С помощью 3D-прототипирования можно «вырастить» макет дома, чтобы оценить его достоинства и недостатки, которые на бумаге попросту не видны.

Еще одно применение прототипирование нашло в области,

д

алекой от машиностроительных технологий, – в медицине. На основе результатов компьютерных исследований пациента методами послойного прототипирования изготавливают копии человеческих органов или костей, которые используют для моделирования хирургических операций и создания имплантата. Модель кости или органа позволяет хирургу лучше понять анатомические отклонения и отработать выполнение операции, а также изготовить имплантат, точно подходящий пациенту. Модели изготавливают из материала, близкого по своим свойствам к кости, поэтому хирурги могут отрепетировать свои действия при операции,используя те же инструменты, что и в операционной. Это повышает точность хирургических манипуляций и сокращает длительность операции.

Точность изготовления прототипа в разных методах и на различных установках находится в диапазоне от 0,05 до 0,2 мм по каждой координате. При уменьшении толщины слоя точность растет, но падает скорость изготовления, и как следствие – повышается его стоимость. Стоимость прототипа зависит, в первую очередь от его объема.

Технологии быстрого прототипирования относятся к формообразующим технологиям, которые не удаляют «лишний» материал с заготовки, а наращивают деталь из жидкости. Такой подход позволяет значительно снизить расход материалов (коэффициент использования материала при прототипировании 0,8…0,95) и сократить время изготовления детали. Мировая практика показывает, что прототипирование изделий на стадии проектирования позволяет:

- в 2…4 раза сократить сроки разработки и технической подготовки производства новой продукции;

- снизить себестоимости продукции, особенно в мелкосерийном или единичном производстве в 2…3 раза;

- значительно повысить гибкость производства (возможность быстрого перехода производства на изготовления новых изделий);

- повысить конкурентоспособности производства.

Литература:

Шихельман Г.Л. Занимательная технология машиностроения. М.: Машиностроение, 1987. 176 с.
Евдокимов В.Д. Моя профессия – инструментальщик / В.Д. Евдокимов, С.Н. Полевой. М.: Машиностроение, 1985. 160 с.
Симоненко В.Д. Технология. Базовый уровень: 10-11 классы: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений / В.Д.Симоненко, О.П.Очинин, Н.В.Матяш; под. ред В.Д.Симоненко. М.: Вентана-Граф, 2009. 224 с.

Инструментально-алгоритмические методы оценки эмоционального состояния человека

ПАРАШИН Владимир Борисович,

доктор технических наук, профессор кафедры

«Медицинская техника» МГТУ им. Н.Э.Баумана

Еще с глубокой древности известно, что внутреннее эмоциональное состояние человека (спокойствие, активация, торможение) проявляется в его поведении и имеет выраженные внешние признаки ( в мимике, жестах, интонациях речи, цвете кожи, потоотделении и т.п.).

По легенде, Александр Македонский, отбирая солдат для решающего сражения, объявлял об этом перед строем и, обходя строй, смотрел в лица солдат, отбирал тех, кто краснел (реакция активации – усиление периферического кровообращения) и браковал побледневших (реакция торможения – анализ периферических сосудов).

В настоящее время прихофизиологи хорошо изучили различные проявления эмоционального состояния, а инженеры сконструировали высокочувствительные приборы для их регистрации. Наиболее широкое применение эти методы и приборы нашли в области инструментальной детекции обмана и лжи.

Уже в 20-е годы прошлого столетия американский криминалист Ларсон разработал полиграф для регистрации двух «Эмоционально окрашенных» показателей:дыхательных движений грудной клетки и давления крови.

Его соотечественник криминалист Леонард киллер начал применять особую методику допроса с использованием сконструированного им же «детектора лжи», который одновременно регистрировал уже три параметра: дыхательные движения, относительное давление крови и электрическую активность кожи. С тех пор этот набор физиологических показателей является обязательным для любого полиграфа. Более того, Американская полиграфическая Ассоциация считает этот набор обязательным и достаточным для проведения обследований в режиме «детекции лжи», что закреплено в ее регламентирующих документах.

Сейчас для исследования эмоционального состояния используется множество физиологических сигналов дыхания, сердечной деятельности, КГР, двигательной деятельности (тремор), векодвигательный рефлекс, сверхмедленные колебания биопотенциалов мозга и т.д.

Чувствительнейшим индикатором эмоционального состояния человека оказалась кожно-гальваническая реакция (КГР) определяемая по изменениям биоэлектрических параметров (разности потенциалов и импеданса) кожи рук.

Считают, что она обусловлена колебаниями пресекреторной активности потовых желез, управляемой центральной нервной системой. Установлено, что на КГР преимущественно оказывают влияние факторы эмоционально-прсихической активности. Во время принятия решения амплитуда реакции максимизируется и уменьшается по мере выработки стереотипа ответных действий. Поскольку амплитуда КГР зависит от трудности для оценки эмоциональной напряженности человека.

Сигнал КГР регистрируется при наложении электродов на пальцы испытуемого (обычно на указательный и безымянный пальцы). Существуют три способа регистрации сигнала:

По собственным потенциалам. При регистрации этим способом нет влияния на пациента, так как снимается разность потенциалов с электродов, на которые не подается ток или напряжение. Этот метод называется (по имени ученого, впервые зарегистрировавшего сигнал КГР) – КГР по Тарханову.
По электрическому импедансу. В этом случае при помощи электродов пропускается постоянный ток через пациента, а с электродов снимается напряжение, то есть регистрируется электрическое сопротивление. Значение тока не превышает 50 µА. Этот метод называется методом Фере.
Известен импедансный метод, при котором на электроды подается переменное напряжение (до 80 Гц), а регистрируется ток, но этот метод не используется в задачах оценки эмоционального состояния.
Наибольшее распространение получил метод Фере. В этом случае измеряется активное сопротивление (реально регистрируется не сопротивление, а проводимость) кожи, что наиболее легко интерпретируется.
Регистрируется зависимость пролводимости от времени g(t), и производная проводимости от времени g Для оценки обычно используют оба сигнала, причем первый называют сигналом ЭКП (электрокожной проводимости), а второй КГР в качестве меры эмоциональной напряженности используют амплитуду сигнала КГР.
В системах оценки эмоционального состояния также используется регистрация параметров сердечно-сосудистой системы. Информативной характеристикой является частота сердечных сокращений (ЧСС), сдвиги которой отражают общую реакцию на изменения внешней и внутренней среды, в том числе на воздействие эмоциогенных факторов. Широкое использование ЧСС для оценки эмоционального состояния человека объясняется также доступностью регистрации и усчтойчивостью к техническим помехам. Другой важной характеристикой является кровенаполнение (все знают, что от испуга у людей лица белеют, а от смущения краснеют).

Наиболее адекватной методикой исследования стресс-реакции сердечно-сосудистой системы является фотоплетизмография пальца (ФПГ). Эта методика обладает следующими достоинствами:

пульсовая составляющая сигнала ФПГ отражает реакцию мелких артерий, артериол, прекапилляров на эмоциональное состояние;
медленно меняющаяся компонента ФПГ характеризует кровенаполнение тканей и соответственно отражает реакцию крупных сосудов;
датчик сигнала ФПГ в максимальной степени биоадекватен, то есть атравматичен и удобен для пациентат(надевается на палец).

В качестве меры эмоционального состояния берутся следующие характеристики: амплитуда пульсовой составляющей, ЧСС, амплитуда медленной компоненты (кровенаполнение) и высота дикротической волны.

Информация об эмоциональном состоянии содержитсятакже в сигналах дыхания и выдоха. Во время вдоха диафрагма сплющивается и опускается и увеличивается вертикальный размер грудной полости. Диафрагма давит на брюшные мышцы и заставляет брюшную стенку выпячиваться. Это абдоминальное или диафрагменное дыхание, оно регистрируется датчиком нижнего дыхания (НДХ) по изменениям периметра брюшной полости. Когда диафрагама опускается, грудная увеличивается поперечный размер грудной клетки. Это дыхание регистрируется датчиком верхнего дыхания (ВДХ). Когда вдох заканчивается, объем грудной клетки уменьшается. Диафрагма поднимается, а грудина и ребра опускаются. Из-за упругих свойств хрящей, веса стенок грудной клетки и эластичных свойств легких грудная клетка возвращается в исходное положение.

При этом воздух вытесняется из легких (выдох), а затем цикл повторяется.

Процесс дыхания влияет на параметры сердечной деятельности. Например, длительность сердечного цикла зависит от того, в какой фазе дыхательного цикла он находится. При сбоях или изменениях режима дыхания также происходит изменение амплитуды КГР.

Таким образом, регистрация сигнала дыхания позволяет отфильтровать часть физиологических помех из сигналов ФПГ и КГР. Сигналы ВДХ и НДХ и сами по себе информативны как индикаторы стрессового состояния.

Информативными параметрами считаются: цикл дыхания (его продолжительность), амплитуда дыхания, отношение времени вдоха к времени выдоха (дробь дыхания), а также отношение этих пармметров между НДХ и ВДХ.

Симпозиум 2.

Естественные науки

и современный мир

Blog

Секретариат программы «Шаг в будущее» Почтовый адрес

Содержание