XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Инженерная графика является основополагающим элементом в проектировании и производстве, и её роль продолжает расти с развитием технологий. Важно отметить, что не только в машиностроении и электротехнике, но и в других областях, таких как архитектура, строительство и даже искусственный интеллект, инженерная графика находит свое применение.

В архитектуре, например, 3D-моделирование позволяет архитекторам и дизайнерам визуализировать свои идеи на ранних этапах проектирования. Это не только помогает в создании более эстетически привлекательных зданий, но и способствует оптимизации функциональности пространства. Современные программы для архитектурного проектирования, такие как BIM (Building Information Modeling), обеспечивают интеграцию всех аспектов здания — от конструкции до систем отопления и вентиляции — в единую модель, что значительно упрощает процесс координации между различными специалистами.

В строительстве инженерная графика помогает в планировании и управлении проектами. С помощью точных 3D-моделей можно заранее выявить потенциальные проблемы, такие как конфликты между различными системами или недостатки в конструкции, что позволяет избежать дорогостоящих переделок на этапе строительства. Кроме того, использование виртуальной реальности (VR) в сочетании с инженерной графикой позволяет заказчикам "пройтись" по зданию еще до его постройки, что значительно улучшает процесс принятия решений.

В области медицины инженерная графика не только помогает в создании протезов, но и активно используется в хирургии. 3D-модели органов пациента, полученные из медицинских изображений, таких как МРТ или КТ, позволяют хирургам планировать операции с высокой точностью. Это особенно важно в сложных случаях, таких как опухоли или аномалии развития. Хирурги могут заранее изучить анатомию пациента и разработать индивидуальный план операции, что повышает вероятность успешного исхода.

Кроме того, инженерная графика находит применение в биомедицинских исследованиях. Создание 3D-моделей клеток и тканей позволяет ученым лучше понимать процессы, происходящие в организме, разрабатывать новые лекарства и методы лечения. Например, использование 3D-печати для создания моделей органов открывает новые горизонты в тестировании лекарств и проведении исследований на моделях, которые максимально приближены к реальным условиям.

Для того, чтобы протез был лёгок, практичен и долговечен в использовании, в программеКОМПАС3Dрассчитываетсяиконструируетсявнутреннеепространство,вкоторомбудутразмещены датчики и механизмы, управляющие протезом, а также делается уникальный дизайн,чтобычеловекубыло легчепривыкнутькустройству.

Нарисунке2представленчертёжпрототипабионическогопротеза.Создание3Dмоделипротезапроходитследующиеэтапы:

1. Создание внешней формы. В самом начале производится разработка каркаса всего протеза, в соответствии с физиологическими особенностями пациента. Проводятся расчёты, которые позволяют узнать точные данные для габаритных размеров детали.

2. Учёт материалов. При подготовке модели необходимо точно подобрать материал, из которого будет сделан протез и исходя из этого рассчитывать размеры и расстановку более мелких элементов.

3. Разработка деталей и ввод функциональных элементов. После создания общей формы, следует приступить к проектированию механизмов, обеспечивающих работу процесса, то есть создать точный макет расположения микросхем, датчиков, микропроцессора. В основном, датчики и процессор расположены в самом начале протеза (предплечья). Далее располагаются механизмы управления кистью, затем проектируются суставы и детали для управления пальцами руки.

Рис. 1 Наглядное изображение внутренних систем бионического протеза

1. Модернизация дизайна. Вес и другие характеристики играют большую роль в эксплуатации нашей детали. Поэтому следует продумать эргономичность и дизайн протеза для комфортного и эффективного использования.

2. Анализ и исправление ошибок. После завершения моделирования детали, следует проанализировать работу, оценить функциональность детали и её внешний вид. Следует провести специализированные тесты, которые могут просчитать поведение протеза. При выявлении ошибок или неточностей следует подкорректировать функциональные и внешние недоработки.

Восновном.бионическиепротезыпроизводятсяизлёгкихгибкихидостаточнопрочныхматериалов. Это необходимо для лучшей мобильности и более длительного срока эксплуатации.Основнымиматериаламиявляются:

3. Пластик. Служит для производства внешних конструкций протеза, которые можно напечатать на 3D принтере. Он относительно лёгок, удобен в применении, экологичен для пользователя и более доступен на рынке материалов, чем его аналоги.

4. Углеродное волокно. Материл ещё легче чем пластик, что позволяет уделить больше внимания более качественным внутренним котроллерам, которые сделаны из металла, Он обладает высокой прочностью и жёсткостью, что играет важную роль для его срока службы.

5. Металл. Данный материал известен прочностью и дороговизной по сравнению с аналогами, но без него протезов бы не существовало. Все внутренние конструкции: процессоры, датчики, управляющие платы сделаны из хрома, никеля, кобальта и других металлов, способных обеспечить быструю и надёжную работу протеза.

Рис. 2 Прототип бионического протеза

Необходимо рассказать об инструментах программы “КОМПАС 3D”, которые использовалисьприсозданиибионического протеза:

1. Дляпостроениябазовыхгеометрическихфигуриспользовалисьэлементытела:прямоугольник, окружность, эллипс. С помощью приспособления “Прямоугольник” проектируетсярасположениеисточникапитания,механизма,отвечающегозафункцию–“захватпальцами”.Элемент“Окружность”предоставляетвозможностьподготовитьотверстиядлякреплений,цилиндрические детали для сгибания и разгибания проксимальной, средней и дистальной фалангпальцев. Эллипсы, в свою очередь, создаются из кривых по нескольким точкам и играют важнуюрольвсозданииповерхностей,которыепредназначалисьдляимитацииногтейнакончикахпальцев,ииспользовалсявпроектированиивнутреннегомеханизмаэлектропитания.

2. Для создания сложных поверхностей применяются такие инструменты каркаса, каккривая Безье (сплайн по точкам), продление кривой, эквидистанта кривой, заплатка, эквидистантаповерхности.БлагодарякривойБезьепроисходитпостроениеконтуровповерхностей,которыедолжны в точности повторять человеческое предплечье, инструмент “Заплатка” увеличивает местовнутри протеза для микроприводов и проводов, а также формирует внешний дизайн детали. Такиеприспособления, как “Эквидистанта кривой” и “Эквидистанта поверхности”, помогают сократитьвремя проектирования детали, при необходимости изменить размер объекта, который перенесен вдругуюобластьмодели.

3. Для соединения, выдавливания и объёмного моделирования объектов применяются инструменты поверхности: поверхность конического сечения, поверхность соединения, разбиение поверхности. Возможности программы позволяют создавать сложные поверхности пальцев, используя функцию “Поверхность канонического сечения”, благодаря инструменту “Поверхность соединения” соединяются нестандартные поверхности между собой, что в свою очередь, дает возможность в точности повторить поверхность человеческой руки, а “Разбиение поверхности” предоставляет возможность добавить новые грани или разбить уже существующие на несколько новых, что способствует созданию дизайна и лучшей компоновки внутренних механизмов.

Таким образом, после проделанной работы можно сказать, что графические 3D редакторы играют неотъемлемою роль в медицине (биоинженерии). С помощью них появилась возможность заменить утраченную человеческую конечность, что открыло новую отрасль в науки и медицине, это позволяет распахнуть новые горизонты в изучении этой темы и усовершенствовать уже имеющиеся наработки для создания наилучших протезов, которые смогли бы полностью владеть функциями здоровой конечности человека.

Список литературы

1. Басалыгин Е.В., Гринь В.В., Розкаряка П.И. Анализ и разработка роботизированной руки

2. И. Б. Литинецкий. Беседы о бионике. Издательство: Наука физико-математической литературы Москва 1968 год. 

3. Инновационные технологии в инженерной графике: проблемы и перспективы: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф., 19 апреля 2023 года, Брест, Республика Беларусь, Новосибирск, Российская Федерация

4. Николаев С. Г., Электромиография. // Иваново. 2013.

5. Петров В.Г., Замиладский Ю.И., Буров Г.Н., - Технология изготовления протезов верхних конечностей 2008 год.

6. Joseph T. Belter, Jacob L. Mechanical design and performance specifications of anthropomorphic prosthetic hands: A review. // Journal of Rehabilitation Research &Development. 2013.