Третье поколение набора-конструктора «Юный нейромоделист»
Набор-конструктор 3-го поколения включает в свой состав все компоненты 2-го поколения, но обеспечивает значительный объем новых возможностей для пользователей. Новые возможности призваны расширить целевую аудиторию продукта. Так, помимо круга пользователей предыдущих модификаций, набор-конструктор 3-го поколения может эффективно использоваться исследователями и специалистами в области построения носимой электроники, считывания и обработки биосигналов человека, конструкторами нейроуправляемых устройств. Необходимо обеспечить возможность профессионального применения продукта. Такие возможности обеспечиваются двумя факторами: возможностью построения достаточно сложных систем на основе собственных компонент набора и возможностью построения на базе набора открытых систем, включающих контроллеры сторонних производителей. Данный конструктор позволит осуществлять быстрое и эффективное прототипирование различных нейроуправляемых устройств и технических систем – на учебном, любительском и профессиональном уровне. Возраст пользователей 12+.
Набор-конструктор 3-го поколения имеет в составе все компоненты, входящие в предыдущую модификацию (сенсоры, объекты управления и программное обеспечение). В части сенсоров электробиосигналов добавляются модули на основе бесконтактных емкостных датчиков. Кроме этого в набор вводится отдельный функциональный класс дополнительных устройств с возможностью построения достаточно сложных комплексных нейроуправляемых систем из компонентов набора-конструктора и их сопряжения с контроллерами мировых лидеров отрасли (Arduino, LegoMindstorms EV3, IntelEdison, Raspberry). Такой состав набора позволяет реализовать полную схему нейроуправления системами технических устройств как на базе использования компонент набора, так и с использованием оборудования сторонних производителей. Предметно набор-конструктор 3-го поколения должен включать в себя:
Сенсор электромиограмм - электрических сигналов в мышце человека при их напряжении. Устройство для регистрации зависимости электрической мышечной активности человека от времени. Измерение сигналов осуществляется путем размещения одноразовых и/ или многоразовых электродов на поверхности тела человека. Способ подключения к человеку – неинвазивный. Усиление электромиографических сигналов (не менее 5000 раз), с возможностью регулировки усиления сигнала. Число каналов считывания сигнала (не менее) – 1;
Сенсор электрокардиограмм - электрических сигналов, возникающих при работе сердца. Устройство для регистрации биоэлектрических сигналов, возникающих при работе сердца человека. Усиление электрокардиографических сигналов (не менее 1000 раз), с возможностью регулировки усиления сигнала Измерение сигналов осуществляется путем размещения одноразовых и/ или многоразовых электродов на поверхности тела человека. Способ подключения к человеку – неинвазивный. Число каналов считывания сигнала (не менее) – 1;
Сенсор фотоплетизмограмм отражательной способности ткани человека в оптическом или около-оптическом диапазоне. Устройство для неинвазивной регистрации изменения оптических свойств кожных покровов человека, которые вызваны изменением кровенаполненности кровеносных сосудов при работе сердца. Области считывания: пальцы руки, ладони, запястье человека. Включает считывающую пару «светодиод+фотодиод». Способ подключения к человеку – неинвазивный. Число каналов считывания сигнала (не менее) – 1.
Сенсор сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) – устройство для неинвазивной регистрации электрической активности нейронов головного мозга человека. Электронный модуль с выносной электродной системой, обеспечивающей считывание сигналов. Обеспечивает аппаратную фильтрацию сигнала: наличие полосового и режекторного фильтра на 50 Гц. Усиление сигнала – не менее 100 000 раз. Возможность регулировки коэффициента усиления. Могут применяться системы электродов различных модификаций, крепящихся неинвазивным способом к голове человека специальной системой (шапочка, обод, лента). Число каналов считывания сигнала (не менее) – 1.
Сенсор кожно-гальванической реакции (КГР) - устройство для неинвазивной регистрации сопротивления поверхности кожи человека на постоянном и переменном токе. Возможность установки опорного уровня выходного сигнала с сенсора. Электроды для считывания сигнала крепятся на пальцы или ладонь, или запястье человека. Тип электродов – многоразовые сухие электроды, подключение электродов неинвазивное, длина проводов – не менее 35 см.
Сенсор механических колебаний грудной клетки - устройство для регистрации дыхательных движений грудной клетки человека. Допустимы различные способы реализации (регистрация механических деформаций, бесконтактные радиоволновые радары и др.). Способ подключения к человеку – неинвазивный. Число каналов считывания сигнала (не менее) – 1.
Бесконтактный электронный сенсор - устройство для бесконтактной регистрации биоэлектрических сигналов человека за счет использования емкостного эффекта. Потенциально может применяться для считывания ряда сигналов: электромиограммы, электрокардиограммы, электроэнцефалограммы и др. Специфика применения сенсора определяется локализацией сенсора на теле, качества прилегания и уровня считываемого сигнала. Сенсор имеет систему крепления к участку тела человека. Видом измеряемых биоэлектрических сигналов определяются требования к параметрам усиления и другим характеристикам алгоритмов обработки, заложенным в схемотехнику и встроенное программное обеспечение.
Трехмерный механический манипулятор - устройство для захвата и перемещения предметов в трехмерном пространстве. Имеет механический узел, обеспечивающие захват и удержание предметов в пределах ограничений по массе, размеру и форме (с учетом ориентации), а также систему управляемых приводных подвижных звеньев, осуществляющую перемещение захвата с несколькими степенями свободы в трехмерном пространстве. Тип механических приводов - сервоприводы. Число механических захватов (не менее) - 1. Обеспечивается управляемое изменение положения и пространственной ориентации захвата (захватов) и подвижных звеньев манипулятора в трехмерном пространстве. Контроллер для управления механическими приводами манипулятора входит в состав устройства. Масса устройства не более 2 кг.
Роботизированная авто-платформа - устройство механическое (колесное) для передвижения по плоскости за счет управляемых приводов-электромоторов колес. Число колес не менее 4. Тип механических приводов - раздельные управляемые электродвигатели на каждое колесо. Обеспечивается возможность размещения дополнительных устройств на платформе (электронных модулей, элементов питания и т.д.). Контроллер для управления приводами колес, а также дополнительными аппаратными модулями входит в состав устройства. Масса устройства не более 2 кг.
Электронный модуль беспроводного приемопередатчика сигналов. Модуль должен обеспечивать считывание данных с источников: сенсоров, контроллеров и других устройств из набора и передавать их в виде радиосигнала через аналогичные модули на другие компоненты создаваемых с применением набора-конструктора систем. Необходимо обеспечить считывание, передачу и прием аналоговых и/ или цифровых сигналов сенсоров, объектов управления и совместимых с набором-конструктором контроллеров сторонних производителей. Дальность связи между парой приемопередающих устройств на открытом пространстве – не менее 5 м. Необходимо предусмотерть возможность агрегация потоков данных от разных устройств. Масса не более 50 г.
Модуль автономного энергоснабжения компонента нейроуправляемых устройств и систем. Устройство, обеспечивающее автономное электропитание за счет преобразования энергии механического движения и света в электрическую энергию. Электрические параметры (напряжение, сила тока, частоты) на выходе модуля должны соответствовать стандарту электропитания компонентов набора-конструктора. Конструктивные элементы коммутации электропитания (разъемы, штекеры, гнезда) должны обеспечивать возможность подключения любого элемента набора-конструктора. Должна быть обеспечена невозможность подключения электропитания к устройствам из набора-конструктора с несоответствием электрических параметров. В состав модуля должны входить динамо-машина с ручным механическим приводом и фотоэлемент (например, солнечная батарея). Возможно включение дополнительных преобразователей энергии в электрическую. Масса устройства не более 0,5 кг.
Аппаратный модуль для создания устройств на гибкой подложке. Устройство, имеющее топологию электронных проводников для возможности одновременного подключения нескольких электронных модулей, позволяющих собрать «гибкое» электронное устройство. Устройство имеет посадочные места и/ или интерфейсные разъемы для подключения сенсоров биоэлектрических сигналов и разъемы для подключения к другим устройствам. Масса устройства не более 50 г.
Электронный модуль (набор модулей) для сопряжения компонентов набора-конструктора с контроллерами сторонних производителей. Устройство для построения сложных разнородных нейроуправляемых устройств и систем с использованием популярных контроллеров (Arduino, LegoMindstorms EV3, IntelEdison, Raspberry) и компонентов набора-конструктора. Обеспечивает сопряжение в соответствии со стандартами различных электрических и физических форм-факторов. Имеет достаточное количество посадочных мест и разъемов для сопряжения контроллеров (Arduino, LegoMindstorms EV3, IntelEdison, Raspberry и др) и компонентов набора-конструктора в нейроуправляемые системы. Масса устройства не более 50 г.
Все компоненты набора-конструктора должны обеспечивать безопасную работу неподготовленных пользователей. Напряжение питания – не более 12 вольт. Коммутация всех компонентов набора-конструктора должна обеспечиваться по беспаечной технологии входящими в комплект проводами и шлейфами со стандартизованными коммутационными разъемами (штекерами и гнездами). Комплект соединительных проводов и шлейфов входит в состав набора. Длина проводов электродных систем – не менее 120 сантиметров. Объекты управления не требуют для сборки специализированного оборудования, могут быть собраны с помощью гаечно-винтовых соединений и электрических коммутаций на основе клемм и/ или разъемов.
Программное обеспечение для обработки данных биосигналов, в основе которого будут лежать алгоритмы цифровой обработки сигналов с использованием современных подходов к обработке «больших данных», предполагает машинное обучение (включая нейросети с задействованием методов «глубокого обучения»), а также применение вейвлет- и фурье-анализов. Программное обеспечение должно обеспечивать возможность отображения и обработки измеряемых сенсорами биосигналов: кривой ЭКГ, вычисление пульса, анализ вариабельности RR-интервалов. Программное обеспечение должно обеспечивать интерфейс человеко-машинного взаимодействия, позволяющий управлять различными техническими устройствами. Алгоритмы управления основаны на детектировании определенных параметров сигналов сенсоров (уровней, частот, спектров, интервалов), а по превышению некоторого порога инициировать срабатывание исполнительного устройства: мотора, лампочки, звукового генератора и т.п. Кроме того, программное обеспечение набора-конструктора 3-го поколения должно давать возможность управления достаточно сложными объектами управления из этого набора: трехмерным механическим манипулятором и роботизированной авто-платформой с использованием встроенных контроллеров этих устройств. Необходимо предусмотреть возможность построения гибридных систем с использованием популярных контроллеров сторонних производителей. Управление должно обеспечиваться на основе измерения, обработки и анализа биосигналов сенсоров, входящих в набор.
Хранение компонентов набора-конструктора осуществляется в коробке с отсеками. Хранение объектов управления может осуществляться в отдельной от набора-конструктора коробке. Программное обеспечение может поставляться на физических носителях (CD/DVD-диски, флеш-накопитель) и/или размещаться на электронном ресурсе (интернет-сайте).
[Участники конкурса могут дополнить данный раздел в соответствии с п. 6.2.2 Методических указаний.]
-
Организационные рамки проекта
Участники проекта:
[Данный раздел заполняется Участниками конкурса в соответствии с п. 6.2.3.1 Методических указаний.]
Пользователи результатов:
Пользователями результатов проекта будет являться широкий круг лиц и организаций. Ядром группы пользователей будут являться кружки юного нейромоделиста и иные центры молодежного инновационного творчества, специализирующиеся на программах дополнительного образования, исследованиях и разработках в сфере Нейронет.
Важной группой пользователей будут организаторы профильных олимпиад в предметной области Нейронет.
Ожидается также спрос на продукцию, разработанную в ходе настоящего проекта со стороны учебных заведений, научных лабораторий и частных лиц, заинтересованных в обучении и выполнении работ по тематике Нейронет.
[Участники конкурса должны дополнить данный раздел в соответствии с п. 6.2.3.2 Методических указаний.]
Другие заинтересованные стороны:
На базе достигнутых в рамках настоящего проекта результатов предполагается сотрудничество с мировыми лидерами по производству продукции в сфере новых форм образовательной и профессиональной подготовки. Планируется заключение соглашений и организация совместного бизнеса по продвижению продукции, разработанной в ходе проекта.
Возможно сотрудничество с малыми предприятиями по организации производства разработанной в ходе проекта научно-технической продукции. Взаимодействие с такими производителями предполагается на основе лицензионных соглашений с оформлением передачи ноу-хау на изготовление компонентов разработанных в ходе проекта наборов-конструкторов. Отбор таких производственных контрагентов будет осуществлен на конкурсной основе по качественным и ценовым параметрам. Эти контрагенты увеличат круг вовлеченных в деятельность направления Нейронет российских компаний.
[Участники конкурса могут дополнить данный раздел в соответствии с п. 6.2.3.3 Методических указаний.]
-
Географические рамки проекта
[Данный раздел заполняется Участниками конкурса в соответствии с п. 6.2.4 Методических указаний.]
-
ЦЕЛЕВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА
№
|
Наименование целевого показателя
|
Единица измерения
|
Базовое (исходное) значение
|
Плановое значение показателя
|
Участник проекта, ответственный за достижение целевого показателя проекта
|
2016 г.
|
2017 г.
|
2018 г.
|
|
1.
|
Количество зарубежных заявок PCT на основе разработанных наборов-конструкторов «Юный нейромоделист»
|
Шт.
|
|
|
Не менее 3
|
|
2.
|
Количество клубов юных нейромоделистов
|
Шт.
|
|
|
Не менее 50
|
|
3.
|
Количество малых предприятий на рынке Нейронет, работающих с наборами-конструкторами «Юный нейромоделист»
|
Шт.
|
|
|
Не менее 2
|
|
4.
|
Количество олимпиад с использованием наборов-конструкторов «Юный нейромоделист»
|
Шт.
|
|
|
Не менее 2
|
|
[Участники конкурса должны дополнить данный раздел в соответствии с п. 6.3 Методических указаний.]
-
|
