Носимият робот е захранвано устройство, което носите на тялото си, за да ви помага да се движите, и то се нуждае от пет основни компонента на носими роботи: сензори, задвижващи механизми, структурни компоненти, захранвания и системи за управление. Всеки компонент на носими роботи е изработен по свой собствен специален начин. Сензорите се изработват с помощта на фотолитография, структурните части се оформят с CNC обработка, корпусите се оформят чрез шприцване, системите за управление се изграждат с печатни платки, а захранванията се нуждаят от производство на батерийни клетки. Очаква се пазарът на тази носима технология да достигне 11 889,36 милиона щатски долара до 2030 г., нараствайки със CAGR от 43.45%. Представете си индустриален екзоскелет или интелигентна протеза. Тези носими компоненти на роботи работят заедно, за да облекчат напрежението и да възстановят функционалността. Нека видим как материалите и производството ги правят реални.
Сензори в носими роботизирани компоненти
Какво правят сензорите
Сензорите действат като нервната система на носим робот. Те откриват движение, сила, позиция и телесни сигнали от потребителя и близката среда. Без сензори устройството няма да знае кога ходите, вдигате или стоите неподвижно.
Представете си индустриален екзоскелет. Той трябва да знае ъгъла на бедрото ви, силата, която прилагате върху товара, и електрическата активност в мускулите ви. Тази информация отива до контролера, който след това решава колко помощен въртящ момент да приложи. Ако сензорът е грешен, роботът работи срещу вас, вместо да ви помага.
Инерционните измервателни устройства (IMU) са добър пример. Те комбинират акселерометри, MEMS жироскопи и алгоритми за сливане, за да предоставят точни данни за движението и да поддържат интелигентно управление. Това помага на екзоскелетите да реагират на желанията на потребителя и да паснат естествено. При меките екзоскелети IMU събират данни за движение в реално време, като ъгъл, ъглово ускорение и ъглова скорост. Това позволява на системата за управление да разпознава терена и да регулира точно режимите на движение.
IMU устройствата също така правят възможен анализ на походката извън закрити пространства, решавайки ограниченията на традиционните системи за заснемане на движение. Те позволяват оценка на намерението на човешкото движение, което е ключово за контролирането на екзоскелети. Носимите IMU системи предоставят референтни данни за помощни стратегии за достигане на желаните траектории. Множество IMU устройства, поставени върху различни сегменти на тялото, събират сложни данни и чрез сливане на сензори оценяват кинематиката и ъглите на ставите.
Как се произвеждат сензорите
Методите на производство на тези устройства се различават в зависимост от типа сензор. Микросензорите, като MEMS жироскопите в IMU, зависят от фотолитографията и MEMS производството. Тези процеси изграждат малки механични структури върху силициеви пластини, слой по слой, с невероятна прецизност.
Гъвкавите и разтегливи сензори следват различен път. Ситопечатът нанася проводими мастила върху полимерни основи, създавайки тънки, огъващи се сензорни елементи. Този метод работи добре за носими приложения, където сензорът трябва да пасва на извити повърхности на тялото.
След това сензорните модули преминават през процес на сглобяване по метода „pick-and-place“. Машините поставят малки компоненти върху печатни платки с висока скорост, а спояването чрез повторно запояване ги държи на място. На практика тази стъпка определя надеждността повече от почти всяка друга.
Компании като NOBLE, водеща производствена компания в Китай, предлагат изключителни възможности за обслужване и професионален опит в машинната обработка на този етап. Те помагат на клиентите да преминат ефективно от създаване на прототипи към масово производство на носими компоненти за роботи, което значително съкращава циклите на разработка.
Често срещани типове сензори
Няколко семейства сензори се появяват отново и отново в носимата роботика. Инерционните измервателни устройства обработват проследяването на движението. Чувствителните към сила резистори измерват налягането и силата на захващане. Електромиографските (ЕМГ) сензори отчитат мускулната електрическа активност за контрол на протезите. Енкодерите проследяват въртенето на ставите в индустриалните роботизирани рамена.
Производителността на ЕМГ сензора е от голямо значение за миоелектричните протези. Обърнете внимание на следните спецификации:
| Спецификация | Myoware мускулен сензор | Разработен ЕМГ сензор |
| Съотношение Сигнал/Шум | 23.39 db | 32.95 db |
| Чувствителност | 0.159 V/N | 0.2943 V/N |
| Време за възход | 323 мс | 136 мс |
| Време на есента | 261 мс | 408 мс |
Разработеният ЕМГ сензор показа 1.4 пъти по-големи стойности на SNR и 45% по-висока чувствителност в сравнение с търговския ЕМГ сензор. Също така, предложеният сензор беше с 57% по-бърз от търговския сензор при генериране на изходен отговор.
За контрол на протезите е необходим ЕМГ апарат със средно качество, по-кратко време за реакция (под 300 ms) и висока степен на интуитивност.
Този праг на времето за реакция обяснява защо изборът на сензор не е само въпрос на точност. Скоростта и интуитивността решават дали потребителят се доверява на устройството. Носимо устройство, което реагира късно, се усеща като повредено, дори ако показанията му са перфектни.
Задвижващи механизми в носими роботизирани компоненти
Ролята на изпълнителните механизми
Задвижващите механизми превръщат енергията в движение. Това е най-лесният начин да ги обясним. В носими роботи те работят като мускули. Те използват електрическа енергия, за да извършват движение, което ви помага да повдигате, ходите или хващате.
Повечето задвижващи механизми започват с двигател. Двигателят се върти бързо, но не създава голям въртящ момент. Задвижваща система и редуктори решават този проблем. Те забавят въртенето и увеличават силата. След това трансмисиите изпращат тази сила към съединението или крайния ефектор. Цялата верига е важна. Слабата скоростна кутия разхищава силния двигател.
Серийните еластични задвижващи механизми добавят пружина между двигателя и товара. Тази конструкция осигурява естествена толерантност към удари и безопасно съответствие. Това е важно за физическото взаимодействие човек-робот в рехабилитационните екзоскелети. Пружината поема внезапни сили, вместо да ги предава на тялото ви.
Ползите се проявяват при реална употреба:
- Прозрачното взаимодействие човек-робот намалява метаболитните разходи по време на ходене с натоварване с 10–15%.
- Контролът на силата при заден ход помага за възстановяването на удара, както е показано в екзоскелета H2.
- Дизайните с променлив импеданс подобряват адаптивността за възрастни потребители с отслабени мускули.
Тези цифри са от изследвания в областта на рехабилитацията. Те показват защо спазването на предписанията не е просто приятно допълнение. То е функция за безопасност.
Как се произвеждат задвижващите механизми
Производството на задвижващи механизми е многоетапен процес. Всяка стъпка изисква строги допуски. Малка грешка в един етап може да съсипе цялото устройство.
CNC машинната обработка първо оформя корпуса на двигателя. Корпусът трябва да държи статора и ротора в перфектно подравняване. Всяко колебание създава вибрации и шум. След това се навива намотка. Машините увиват медна тел около статорното ядро с точно определено напрежение. Разхлабените намотки губят енергия под формата на топлина. Стегнатите намотки рискуват да скъсат телта.
Следва сглобяването на магнитите. Постоянните магнити влизат в ротора с точно позициониране. Тяхната ориентация определя константата на въртящия момент на двигателя. След това нарязването на зъбни колела прави редукторите. Машините за фрезоване и формоване изрязват зъби, които се зацепват гладко. Лошо нарязаните зъбни колела се износват бързо и губят ефективност.
Интегрирането на енкодера завършва изграждането. Енкодерът следи позицията и скоростта на двигателя. Той изпраща тези данни обратно към контролера. Без него, задвижващият механизъм не може да се премести в зададена позиция. Контролният контур зависи от тази обратна връзка.
От практическа гледна точка, всяка стъпка в тази верига влияе върху крайните показатели. Един добър двигател с лоша скоростна кутия се представя като лош двигател. Производителите трябва да контролират качеството на всеки етап.
Меки и пневматични задвижващи механизми
Не всеки носим робот използва твърди мотори и зъбни колела. Меката роботика поема по различен път. Тези системи използват меки задвижващи механизми, плат и гъвкави материали. Те се огъват и разтягат заедно с тялото, вместо да се борят с него.
Меката роботика променя начина, по който инженерите мислят за задействането. Вместо мотор във всяка става, меката роботика използва въздушно или флуидно налягане. Пневматичните изкуствени мускули са често срещан пример. Те се свиват, когато въздухът запълни мехур вътре в оплетен ръкав. Оплетката принуждава мехура да се скъси и разшири. Това движение копира истински мускул.
Производството на тези задвижващи механизми включва формоване и изработка. Силикон или гума се отливат в матрица, за да се оформи балона. Плетената втулка се увива около нея. Слоевете се свързват с лепила или топлина. Готовият задвижващ механизъм е лек и гъвкав.
Меката роботика предлага ясни предимства за носими устройства. Материалите се приспособяват към тялото. Те намаляват точките на натиск. Освен това абсорбират ударите по-добре от твърдите части. За носими роботи, които помагат при поглаждане на пациенти или фабрични работници, комфортът решава дали хората действително ще го използват.
Меката роботика има своите недостатъци. Тези задвижващи механизми произвеждат по-малко сила от моторите. Те се нуждаят от пневматични линии или помпи. Това добавя обем. Въпреки това, меката роботика продължава да се развива в областта на рехабилитацията и помощните устройства. Областта на меката роботика продължава да привлича финансиране за научни изследвания. Меката роботика може евентуално да замени твърдите задвижващи механизми в много носими приложения. Меката роботика представлява голяма промяна в начина, по който инженерите подхождат към машините, удобни за човека. Бъдещето на меката роботика изглежда светло за носими технологии.
Структурни компоненти на носими роботизирани компоненти
Функции на структурните елементи
Структурните части придават на носимия робот неговата форма и здравина. Те носят товари, държат всички останали компоненти на място и преместват силите към правилните места по тялото. Мислете за тях като за скелет. Без здрава рамка, сензорите и изпълнителните механизми не биха имали към какво да се прикрепят.
Списъкът със структурни части е по-дълъг, отколкото повечето хора си мислят. Той включва основата, тялото, рамката, шасито, крайните ефектори и входните устройства. Основата и шасито съставляват основната платформа. Рамката свързва ставите и връзките. Крайните ефектори са частите, които докосват потребителя или околната среда, като ръкохватка или плоча за крака. Входните устройства, като бутони или джойстици, също се нуждаят от структурен монтаж.
Производство на структурни части
Производството на листов метал се справя с повечето рамки и шасита. Лазерното рязане оформя плоски детайли с висока точност. След това огъващите машини сгъват метала в триизмерни форми. Заваряването свързва частите в една твърда единица. Тази верига работи добре за средни до големи части.
CNC обработката поема ролята на прецизни части. Скобите за съединения, лагерните легла и монтажните плочи изискват строги допуски. CNC фреза или струг реже метал до точни размери. Шприцването покрива полимерни корпуси. Разтопената пластмаса запълва стоманена форма, охлажда се и излиза като завършена обвивка. Този метод е подходящ за производство на капаци и корпуси в големи количества.
Материали за конструкции
Изборът на материал определя теглото, здравината и цената. Ето как се сравняват често срещаните опции:
| Материал | Ключова собственост | Типична употреба |
| Алуминиеви сплави | Лек, здрав, лесен за машинна обработка | Рамки, скоби |
| титан | Високо съотношение здравина към тегло | Носещи съединения |
| Композитни материали от въглеродни влакна | Много твърд, много лек | Ръце, връзки |
| Инженерна пластмаса | Евтини, гъвкави, изолиращи | Корпуси, капаци |
Алуминиевите сплави са идеални за много носими компоненти на роботи. Те се обработват бързо и са устойчиви на корозия. Титанът е по-скъп, но съотношението му якост-тегло се отплаща при съединения с високо натоварване. Въглеродните влакнести композити осигуряват изключителна твърдост при ниско тегло, което е важно за раменните връзки, които се люлеят през целия ден. Инженерните пластмаси допълват списъка за корпуси и неносещи части.
Изборът на правилните материали е балансиращ акт. По-тежката рамка се усеща здрава, но уморява потребителя. По-леката може да се огъне под натоварване. Добрите производствени решения на този етап решават дали крайното носимо устройство се усеща като инструмент или като бреме.
Системи за управление в носими роботизирани компоненти
Мозъкът на робота
Системата за управление работи като мозъка на носим робот. Тя приема данни от всички сензори, определя какво да прави след това и казва на изпълнителните механизми какво да правят. Този цикъл се повтаря многократно всяка секунда. Ако е твърде бавен, роботът се усеща като потрепващ за потребителя.
Системата има четири основни части. Контролерът е процесорът, който управлява логиката. Управляващият блок съдържа силовата електроника и обработката на сигнала. Софтуерът казва на хардуера какви правила да следва. Интерфейсите на входните устройства свързват бутони, джойстици или приложения на телефона с основната платка. Заедно тези части превръщат суровите сигнали в плавно и безопасно движение.
Хардуер за контрол на производството
Изграждането на контролната платка започва с изработката на печатната платка. Медните линии се гравират върху фибростъкло. След това платката преминава към повърхностен монтаж (SMT). Машините поставят малки чипове върху платката, а запояването с рефлоу ги държи на място.
SMT е много важен за гъвкавите схеми в меките роботи. По-малкото проходни отвори и споени съединения означават по-малко точки, които могат да се повредят.
Също така, наличието на по-малко проходни отвори и спойки прави робота по-надежден. С по-малко точки на свързване има по-малко места, където нещата могат да се объркат. Това означава, че роботизираните системи могат да работят по-дълго време, без да се нуждаят от ремонти.
След сглобяването се добавят микроконтролери и чипове. След това платката се запечатва в корпус, за да се предпази от прах, пот и удари. Тази стъпка определя дали електрониката може да издържи на ежедневна употреба.
Софтуер и фърмуер
Фърмуерът е кодът, съхранен в микроконтролера. Той управлява интеграцията на сензори, извличайки данни от IMU, сензори за сила и енкодери в един поток. Сливането на данни от сензори комбинира тези показания в една ясна картина на движението на потребителя.
Алгоритмите за управление в реално време използват тази картина. Те изчисляват какъв въртящ момент трябва да осигури всеки задвижващ механизъм. Контролният контур трябва да завърши бързо, в противен случай роботът изостава от потребителя. Добрият фърмуер също така обработва проверки за безопасност, като например прекъсване на захранването при възникване на проблем.
От практическа гледна точка, софтуерът и хардуерът трябва да работят заедно. Една страхотна платка с лош фърмуер все пак изглежда като повредена. Инженерите тестват и двете части като една система, преди да пуснат в продажба какъвто и да е носим робот.
Процеси на обработка на носими компоненти на роботи
Субтрактивно производство
Методите за изваждане премахват материал от плътен блок, докато се запази окончателната форма. CNC обработката е най-добрият избор в тази група. Въртящ се инструмент реже метал с висока прецизност, а 5-осните машини могат да достигнат ъгли, които 3-осните системи не могат. За съединения на алуминиеви екзоскелети, 5-осната CNC обработка постига повърхностна обработка от Ra 0.2 µm. Стандартната обработка на алуминиеви сплави обикновено достига Ra 0.8 µm. Тази празнина е от значение, когато частите се плъзгат една срещу друга или носят тежки товари.
Лазерното рязане и рязането с водна струя се използват за обработка на плоски и листови детайли. Всеки метод има своите недостатъци за носими компоненти на роботи. Вижте как се сравняват за композити от въглеродни влакна:
| Атрибут | Лазерно рязане | Нарязване с водна струя |
| Ширина на прореза | Тесен прорез | По-широк прорез от лазерния |
| Качество на ръба | Хрупкав, квадратен ръб; малка зона, засегната от топлината | Гладък сатенен ръб; без зона, засегната от топлината |
| Подходящост на въглеродните влакна | Не се препоръчва — токсични изпарения | Препоръчително — студената ерозия оставя структурата непокътната |
Лазерното рязане осигурява несравнима прецизност за тънки листове от въглеродни влакна под 5 мм. Безконтактният процес премахва износването на инструмента. Термичното повреждане обаче е риск. Неправилните настройки могат да отслабят връзките на смолата. Рязането с водна струя е чудесно за дебели въглеродни влакна над 10 мм без топлинно изкривяване. Абразивният поток се справя перфектно с многослойните композити. По-ниските скорости и по-високите разходи за поддръжка поради износване на дюзите са недостатъците. Тънките листове се обработват с лазер. Дебелите плочи се обработват с водна струя. Простите форми работят и с двете. Триизмерните криви се нуждаят от CNC.
Добавъчно производство
3D печатът изгражда части слой по слой от цифрови файлове. Този процес е чудесен по време на прототипиране и производство на персонализирани части. FDM избутва разтопена пластмаса през дюза. Той е евтин и бърз, което е подходящо за ранни проверки на дизайна. SLA използва лазер за втвърдяване на течна смола. Прави по-гладки повърхности и по-фини детайли. SLS слепва прах с лазер, създавайки здрави части без поддържащи конструкции.
За носими компоненти за роботи, адитивното производство значително съкращава времето за изпълнение. Персонализирана протезна гилза, чието производство някога отнемаше седмици, сега може да се отпечата за дни. Инженерите извършват итерации по-бързо, защото по-бързо закрепват физическите части. Материалите варират от обикновен PLA до инженерен найлон и филаменти, пълни с въглеродни влакна. Всяка опция балансира здравина, тегло и цена по различен начин.
Процеси на формиране и присъединяване
Методите за формоване оформят материала, без да го режат. Шприцването впръсква разтопена пластмаса в стоманена форма. Пластмасата се охлажда и излиза като завършена обвивка. Този процес е подходящ за производство на корпуси и капаци с голям обем. Термоформоването нагрява пластмасов лист, докато омекне, след което го издърпва върху форма. Работи добре за големи, тънки части като обвивки на каски или панели на каросерията.
Процесите на съединяване държат отделни части заедно. Заваряването слепва металните части с топлина или налягане. Лепилното свързване използва химически връзки за свързване на повърхности. Лепилата разпределят напрежението равномерно и работят върху различни материали. Рамото от въглеродни влакна, залепено към алуминиева скоба, се възползва от този подход. Правилният метод на съединяване зависи от вида на натоварването, двойката материали и въздействието на околната среда. От практическа гледна точка, най-добрият производствен процес за носими компоненти на роботи често комбинира няколко метода в един монтаж.
Съображения за проектиране на носими компоненти на роботи
Тегло, комфорт и ергономичност
Носимият робот, който тежи твърде много, не помага на никого. Хората просто спират да го носят. Всеки грам е от значение за осемчасова смяна. Инженерите избират леки материали като алуминий и въглеродни влакна. Те премахват материал, където не е необходим. Комфортът зависи от това как устройството пасва на тялото ви. Презрамките се нуждаят от подплънки. Ставите трябва да съответстват на естествения ви начин на движение. Лошото прилягане причинява триене и болка.
Ергономичните стандарти помагат за правилното прилягане. ISO 11228 определя правила за повдигане и носене. Той казва на дизайнерите колко тегло е безопасно и кои позиции на ръцете работят най-добре. Например, той предлага здрав захват с неутрална китка и предупреждава за екстремни ъгли. Това пряко оформя начина, по който се изграждат опорите за ръце на екзоскелетите. Друг стандарт, ISO 11226, обхваща статичните работни пози. Той дава правила за конструкции, при които работниците стоят неподвижно за дълги периоди. За екзоскелети на китките във фабриките, тези правила за ръчно боравене и статична стойка са най-полезните насоки.
Тези правила помагат на инженерите да решат къде да добавят опора и къде да осигурят свободно движение. Добрият дизайн ви позволява да се огъвате естествено, докато роботът носи товара.
Трайност и безопасност
Частите на роботите са изложени на пот, прах и многократно натоварване. Скоба, която се напука след една седмица, е безполезна. Издръжливостта започва с избора на правилния материал. Металите трябва да са устойчиви на ръжда. Пластмасите трябва да издържат на удари. Управлението на топлината също е важно. Двигателите се нагряват по време на употреба. Ако се натрупа топлина, частите се повреждат или потребителят се изгаря. Дизайнерите добавят вентилационни отвори или радиатори, за да поддържат ниски температури.
Стандартите за безопасност задават летвата за приемливото. ISO 13482 обхваща роботите за лична грижа. Той включва мобилни роботи за обслужване, роботи за физически асистенти (който обхваща екзоскелети) и роботи за превоз на хора. За екзоскелетите стандартът изисква специфични характеристики, които попадат в три категории:
- Присъщо безопасен механичен дизайн — защита от прищипване, съвместимост на повърхността и стабилност.
- Функционална безопасност и контрол — аварийни спирания, контрол на скоростта, ограничаване на силата/въртящия момент и сензори за околната среда.
- Предсказуемо, контролируемо поведение — ясни сигнали за намерение, достъпно аварийно спиране и плавно намаляване на натоварването.
Тези изисквания подтикват дизайнерите да се замислят какво може да се обърка. Сензор се повреди. Батерията се изтощи по време на повдигане. Роботът трябва да се повреди безопасно. Спазването на тези стандарти отваря пазари и изгражда доверие.
Проектиране за намаляване на нараняванията
Цялата цел на екзоскелета е да намали нараняванията. Във фабриките работниците си нараняват гърба от вдигане на тежки предмети. Екзоскелетите поддържат гръбначния стълб и поемат част от това натоварване. На строителните площадки работата над главата натоварва раменете. Опорите за ръце задържат тежестта. Чрез отклоняване на силите от тялото на потребителя, тези устройства предотвратяват увреждане на мускулите и костите, преди то да започне.
Медицинските устройства следват същата идея. Рехабилитационният екзоскелет помага на пациенти с инсулт да проходят отново. Но той трябва също така да ги предпазва от падания. Сензорите откриват кога пациентът е нестабилен. Системата за управление прекъсва захранването или регулира опората. Дизайнерите добавят подплънки в точките на контакт. Те оформят рамките, за да избегнат напрежението върху костите. Всеки детайл има за цел да лекува, а не да наранява.
Добрият дизайн прави повече от това да подкрепя потребителя. Той активно го защитава. Добре пригоденото устройство се усеща естествено. Движите се свободно, а роботът помага, без да ви пречи. Лошият дизайн създава нови рискове, като прищипване или прегряване. Ето защо стандартите са важни и защо тестването е критично. Когато инженерите се справят правилно, тези машини правят опасните работни места по-безопасни и помагат на хората да се възстановят от наранявания по-бързо.
Материали за носими роботизирани компоненти
Метали и сплави
Металите вършат тежката работа в повечето носими компоненти на роботи. Алуминиевите сплави са предпочитаният избор за рамки и скоби. Те са леки, здрави и лесни за обработка. Титанът е по-скъп, но високото му съотношение якост-тегло го прави идеален за носещи съединения. Неръждаемата стомана допълва списъка. Тя е устойчива на ръжда и издържа на високо натоварване, което е подходящо за структурни щифтове и крепежни елементи.
Изборът на правилния метал се свежда до работата. Рамката на екзоскелета за тазобедрена става се нуждае от твърдост без допълнително тегло. Алуминият се справя добре с това. Колянна става, която понася многократни удари, може да се нуждае от титан. Неръждаемата стомана е подходяща за части, които са изложени на пот и атмосферни влияния. Всеки метал има свой собствен баланс между тегло, здравина и цена.
Полимери и композити
Пластмасите и композитните материали обхващат всичко - от корпуси до рамената на рамената. ABS е инженерна пластмаса с общо предназначение. Тя има добра удароустойчивост, лесно се формова и поема добре бои и покрития. Това я прави стандартна за корпуси за потребителска електроника и оборудване. Поликарбонатът (PC) предлага още по-висока удароустойчивост. Той също така осигурява размерна стабилност и оптична яснота в естествен клас. Предлагат се UV-устойчиви видове за външна употреба.
| Пластмаса | Устойчивост на удар |
| ABS | Високо |
| Поликарбонат (PC) | Много високо |
Смесите от PC/ABS осигуряват подобрена ударна устойчивост и по-лесна обработка в сравнение с ненапълнения PC. За носими компоненти на роботи това е от значение, когато капаците трябва да издържат на падания и ежедневно износване. Композитните материали от въглеродни влакна осигуряват изключителна твърдост при ниско тегло. Фибростъклото струва по-малко, но все пак добавя здравина. Найлонът е подходящ за зъбни колела и износващи се части. Тези материали позволяват на инженерите да намалят теглото, без да жертват издръжливостта.
Умни и функционални материали
Интелигентните материали променят формата или свойствата си при задействане. Сплавите с памет на формата се връщат към зададена форма при нагряване. Това ги прави полезни за компактни задвижващи механизми. Пиезоелектрическите материали генерират заряд при стискане. Те могат също така да променят формата си при прилагане на напрежение. Тези материали поддържат усещането и движението в тесни пространства.
Проводимите текстилни изделия вдъхват живот на меките роботи. Те пренасят сигнали и енергия през тъканта. Това позволява на меките роботи да се огъват и разтягат заедно с тялото. Меките роботи разчитат на тези гъвкави материали за удобно носене. Меките роботи ги използват и за измерване на налягане. Меките роботи се възползват от тъкани, които провеждат, без да се усещат твърди. Меките роботи продължават да внедряват нови интелигентни материали всяка година. Изследователите в областта на меките роботи тестват проводими текстилни изделия за мускулно-подобно задействане. Меките роботи може един ден да заменят твърдите части в много носими устройства. Меките роботи вече се появяват в рехабилитационните ръкавици и помощните костюми. Меките роботи представляват голяма промяна в начина, по който инженерите изграждат машини, удобни за човека.
Приложения на носими роботизирани компоненти
Индустриални и производствени приложения
Фабриките вече използват носими роботизирани компоненти всеки ден. Работниците слагат екзоскелети преди дълга смяна на поточна линия. Тези устройства поддържат гърба, раменете и краката по време на задачи, които се изпълняват отново и отново. Индустриалният носим робот не замества работника. Вместо това той помага за носенето на физическото натоварване.
Автомобилните компании започнаха да ги използват рано. Монтажните работници, които вдигат ръцете си над главите си с часове, получават екзоскелети за опора на ръцете. Устройството държи тежестта на инструмента, така че мускулите на раменете да могат да си починат. Логистичните работници, които повдигат кутии по цял ден, носят костюми за опора на гърба. Тези приложения намаляват умората и повишават ефективността на работниците по време на смяната. Същите части се използват в строителството, земеделието и склада. Всяка среда се нуждае от различна комбинация от сензори, задвижващи механизми и рамки.
Медицински и рехабилитационни приложения
Лекарите и терапевтите използват носими части от роботи по мощни начини. Медицински носим робот помага на пациентите да проходят отново след инсулт или травма на гръбначния мозък. Задвижваните екзоскелети насочват краката чрез естествен модел на ходене. Рехабилитационни устройства като тези позволяват на терапевтите да се съсредоточат върху напредъка, вместо да държат пациента изправен. Протезни крайници със задвижвани стави осигуряват обратно сцепление и баланс на хора с ампутации. Хирургическите роботи за помощ също използват същата технология на сензори и задвижващи механизми.
Резултатите от клиники потвърждават това. В едно проучване, след инсулт, 7 от 9 пациенти, използвали екзоскелет, са се подобрили в ходенето. Те са достигнали ниво от 2 до 4 на тест за ходене. Междувременно, 6 от 8 пациенти, които не са използвали екзоскелет, са останали на най-ниските нива (от 0 до 1). Показателите за качество на живот са били много по-високи в групата с екзоскелет, със среден резултат от 0.767 в сравнение с 0.434 за другата група. Не са се случили сериозни лоши събития.
Потребителите оцениха безопасността и комфорта със средна оценка 4.5 от 5. Някои все още се оплакваха от теглото и колко дълготрайно е. Тази обратна връзка кара инженерите да продължат да подобряват всяка част.
Приложения, подобряващи безопасността на работниците
Най-голямата полза от тези машини е повишаването на безопасността на работниците. Травми на гърба, разтежения на раменете и износване на ставите са пречка за физически взискателни работни места. Мускулни и костни травми струват на компаниите милиарди всяка година загубено време. Носимите части на роботите изместват силата от тялото към рамката. Тази проста промяна спира щетите, преди да са започнали.
Добрата поддръжка на стойката е от най-голямо значение по време на многократно повдигане. Екзоскелетът поддържа гръбначния стълб в безопасна извивка и разпределя натоварването. Работниците остават продуктивни по-дълго и се прибират у дома без болка. От практическа гледна точка, безопасността и производителността тук не са противоположности. Те растат заедно. Меката роботика добавя още един слой, като прави тези костюми по-леки и по-удобни. Меката роботика позволява на устройството да се огъва заедно с тялото, вместо да се бори с него. Разширените приложения в здравеопазването, съхранението и производството продължават да нарастват с усъвършенстването на технологиите.
NOBLE: Създаване на носими компоненти за роботи
Умения в обработката на метал и пластмаси
NOBLE е известна с работата си с метал и пластмаса и този фокус е подходящ за носене на части от роботи. Рамките, скобите и корпусите на шарнирите изискват точни размери и гладки повърхности всеки път. Компанията извършва CNC обработка, работа с ламарина и шприцване, всичко на едно място. Тази комбинация обхваща алуминиеви рамки, титаниеви шарнири и пластмасови капаци, без да изпраща работата до други цехове.
Използването на един партньор както за метал, така и за пластмаса спестява време. Ако дизайнът на скобата се промени, не е необходимо да търсите нов доставчик. Инженерите променят CAD файла и цехът изработва нова версия. За носими устройства, които преминават през много тестови модели, тази скорост е важна.
Сертификати и качество
Системите за качество показват кои производители са сериозни и кои не. NOBLE има сертификати ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016. Вторият сертификат е наистина важен за всеки, който произвежда медицински или здравни продукти.
Сертификацията по ISO 13485 показва ангажимент към най-високите стандарти за качество, безопасност и правно съвършенство в производството на медицински изделия.
Този ангажимент се отплаща по реални начини. Сертифицираните доставчици често получават:
- Одобрение като доверени доставчици от големи компании за медицински изделия.
- По-високи цени, защото клиентите имат по-малко работа да ги проверяват.
- По-малко одити от клиенти, тъй като сертификацията по ISO отговаря на много изисквания за преглед.
- По-бърза регистрация на нови клиенти на медицински изделия.
Един производител на стерилни изделия по договор получи ISO 13485 и намали времето за одобрение от страна на клиентите от 12 месеца на 4 месеца. Одитните посещения намаляха от четири пъти годишно на веднъж. Стойността на договорите се увеличи с 25% чрез по-добро позициониране и фирмата навлезе на европейски пазари, които някога изглеждаха затворени. Тези резултати показват какво може да направи една силна система за качество за програма за носими роботи.
Пълно обслужване от проектиране до монтаж
NOBLE прави повече от това да управлява машини. Екипът помага по целия път от проектирането до сглобяването. Всичко започва с обратна връзка относно дизайна за производство. Инженерите посочват характеристики, които ще бъдат трудни за машинна обработка или формоване, преди инструментите да бъдат изрязани. Следват тестови модели, след това производствени инструменти, накрая окончателно сглобяване и тестване.
Този цялостен подход е подходящ за носими части на роботи, защото частите работят заедно. Сензорната стойка трябва да е подравнена с рамката. Корпусът трябва да оставя място за задвижващия механизъм. Когато един екип обработва всяка стъпка, тези връзки се проверяват рано. Читателите, които имат предвид проект, могат да се свържат с NOBLE и да започнат този разговор.
Носимият робот се нуждае от пет основни части: сензори, задвижващи механизми, структурни компоненти, захранвания и системи за управление. Фотолитографията създава малки MEMS сензори. Навиването на бобини и CNC обработката изграждат задвижващите механизми. CNC обработката също така оформя рамките. Шприцването формира пластмасови корпуси. Сглобяването на печатни платки изгражда контролните платки. Производството на батерии захранва цялото устройство. Материали като въглеродни влакна поддържат ниско тегло, без да губят здравина. Добрият дизайн помага за намаляване на нараняванията и осигурява безопасността на работниците по време на дълги смени. Усъвършенстваното производство тласка носимата роботика напред с по-добри материали и методи всяка година. Ако имате проект за носим робот, NOBLE предлага пълна поддръжка от проектирането до сглобяването.
Често задавани въпроси за носими роботизирани компоненти
Кои са основните компоненти на носими роботи?
Пет основни категории обхващат почти всяко устройство: сензори, изпълнителни механизми, структурни части, захранвания и системи за управление. Сензорите отчитат движение и сила. Задвижващите механизми създават движение. Структурните части държат всичко заедно. Захранванията управляват електрониката. Системите за управление свързват всичко заедно и решават какво ще се случи след това.
Кой производствен процес произвежда всеки компонент?
Всеки компонент на носим робот има свой собствен процес. Фотолитографията и MEMS производството изграждат микросензори. CNC обработката и навиването на бобини оформят задвижващи механизми. Обработката на ламарина и шприцването оформят рамки и корпуси. Сглобяването на печатни платки изгражда контролни платки. Производството на батерийни клетки произвежда захранващите устройства.
Защо сензорите са толкова важни в носими роботи?
Сензорите казват на робота какво прави тялото ви. IMU проследява ъглите на ставите. Резистор, чувствителен към сила, измерва сцеплението. EMG сензор отчита мускулни сигнали. Ако сензорите са грешни, устройството се бори с вас, вместо да ви помага. Времето за реакция също има значение - протезният контрол се нуждае от показания под 300 ms, за да се усеща естествено.
Каква е разликата между твърди и меки задвижващи механизми?
Твърдите задвижващи механизми използват мотори, зъбни колела и трансмисии. Те осигуряват висока сила и прецизен контрол. Меките задвижващи механизми използват въздушно налягане, плат и гъвкави материали. Те се огъват заедно с тялото ви и поемат по-добре ударите. Недостатъкът е по-ниска изходна сила и често се нуждаят от помпи или въздухопроводи.
Кои материали са най-подходящи за конструктивни части?
Зависи от работата. Алуминиевите сплави са леки и лесни за машинна обработка, така че са подходящи за рамки и скоби. Титанът има високо съотношение якост-тегло за носещи съединения. Композитните материали от въглеродни влакна остават твърди при ниско тегло. Инженерните пластмаси се използват за корпуси и капаци на ниска цена.
Трябва ли носимите роботи да отговарят на стандартите за безопасност?
Да, и правилата зависят от употребата. ISO 13482 обхваща роботи за лична хигиена, включително екзоскелети. Той изисква защита от прищипване, аварийни спирания и ограничения на силата. ISO 11228 и ISO 11226 ръководят ергономичния дизайн за повдигане и статични пози. Спазването на тези стандарти изгражда доверие и отваря пазари.
Може ли 3D печатът да замести CNC обработката на тези части?
Не съвсем. Адитивното производство е чудесно за създаване на прототипи и персонализирана работа. Персонализирана протезна гилза, която някога отнемаше седмици, може да се отпечата за дни. Но производствените рамки и съединения все още се нуждаят от CNC обработка за постигане на точни допуски и гладки повърхности. Повечето конструкции комбинират и двата метода, плюс шприцване за корпуси с голям обем.
Как да избера производствен партньор?
Търсете обработка на метал и пластмаса под един покрив, тъй като рамките, съединенията и корпусите пасват едно на друго. Проверете сертификатите за качество — ISO 9001:2015 обхваща общото качество, а ISO 13485:2016 е от значение за медицинските изделия. Партньор, който се занимава с обратната връзка по дизайна, създаването на прототипи и окончателното сглобяване, спестява време и откроява проблемите с пасването рано.
