A viselhető robot egy olyan elektromos eszköz, amelyet a testeden viselsz a mozgás segítésére, és öt fő viselhető robotalkatrészre van szüksége: érzékelőkre, aktuátorokra, szerkezeti elemekre, tápegységekre és vezérlőrendszerekre. Minden viselhető robotalkatrész a saját, speciális módján készül. Az érzékelőket fotolitográfiával készítik, a szerkezeti részeket CNC megmunkálással alakítják ki, a házakat fröccsöntéssel alakítják ki, a vezérlőrendszereket NYÁK-összeszereléssel építik, a tápegységekhez pedig akkumulátorcellák gyártására van szükség. Ennek a viselhető technológiának a piaca várhatóan eléri a 11 889,36 millió USD-t 2030-ra, ami 43.45%-os éves összetett növekedési rátával (CAGR) növekszik. Képzelj el egy ipari külső vázat vagy egy intelligens protézist. Ezek a viselhető robotalkatrészek együttműködve enyhítik a terhelést és visszaállítják a funkciókat. Lássuk, hogyan valósítják meg ezeket az anyagok és a gyártás.
Szenzorok viselhető robotalkatrészekben
Mit csinálnak az érzékelők?
Az érzékelők egy viselhető robot idegrendszeréhez hasonlóan működnek. Érzékelik a felhasználó és a környezet mozgását, erőjét, helyzetét és testjeleit. Érzékelők nélkül az eszköz nem tudná, mikor jár, emel vagy áll mozdulatlanul.
Gondolj egy ipari külső vázra. Ismernie kell a csípőd szögét, a terhelésre kifejtett erőt és az izmaid elektromos aktivitását. Ez az információ a vezérlőhöz kerül, amely ezután eldönti, hogy mekkora segítő nyomatékot adjon. Ha az érzékelés hibás, a robot ahelyett, hogy segítene, ellened dolgozik.
Az inerciális mérőegységek (IMU-k) jó példák erre. Gyorsulásmérőket, MEMS giroszkópokat és fúziós algoritmusokat ötvöznek a pontos mozgásadatok szolgáltatása és az intelligens vezérlés támogatása érdekében. Ez segíti az exoskeletonokat abban, hogy reagáljanak a felhasználó igényeire, és természetesen illeszkedjenek. A lágy exoskeletonokban az IMU-k valós idejű mozgásadatokat gyűjtenek, például szöget, szöggyorsulást és szögsebességet. Ez lehetővé teszi a vezérlőrendszer számára, hogy felismerje a terepet és pontosan állítsa be a mozgási módokat.
Az IMU-k lehetővé teszik a járáselemzést beltéri tereken kívül is, megoldva a hagyományos mozgásrögzítő rendszerek korlátait. Lehetővé teszik az emberi mozgásszándék becslését, ami kulcsfontosságú az exoskeletonok szabályozásában. A viselhető IMU-rendszerek referenciaadatokat szolgáltatnak a kívánt pályák elérését segítő stratégiákhoz. A test különböző szegmenseire helyezett több IMU összetett adatokat gyűjt, és szenzorfúzió révén becsüli meg a kinematikát és az ízületi szögeket.
Hogyan gyártják az érzékelőket
Ezen eszközök gyártási módszerei érzékelőtípusonként eltérőek. A mikroérzékelők, mint például az IMU-kban található MEMS giroszkópok, fotolitográfián és MEMS-gyártáson alapulnak. Ezek a folyamatok apró mechanikai szerkezeteket építenek szilíciumlapkákra, rétegről rétegre, elképesztő pontossággal.
A rugalmas és nyújtható érzékelők más utat követnek. A szitanyomással vezetőképes festéket visznek fel a polimer hordozókra, vékony, hajlítható érzékelőelemeket hozva létre. Ez a módszer jól működik viselhető alkalmazásoknál, ahol az érzékelőnek ívelt testfelületekre kell illeszkednie.
Az érzékelőmodulok ezután egy „pick-and-place” összeszerelésen mennek keresztül. A gépek nagy sebességgel helyeznek apró alkatrészeket az áramköri lapokra, és az újraforrasztás tartja azokat a helyükön. A gyakorlatban ez a lépés szinte minden másnál jobban meghatározza a megbízhatóságot.
Az olyan cégek, mint a NOBLE, Kína vezető gyártóvállalata, kiemelkedő szolgáltatási képességekkel és professzionális megmunkálási szakértelemmel rendelkeznek ebben a szakaszban. Segítenek az ügyfeleknek hatékonyan átállni a prototípusgyártásról a viselhető robotalkatrészek tömeggyártására, ami jelentősen lerövidíti a fejlesztési ciklusokat.
Gyakori érzékelőtípusok
Számos érzékelőcsalád jelenik meg újra és újra a viselhető robotikában. Az inerciális mérőegységek a mozgáskövetést kezelik. Az erőérzékeny ellenállások a nyomást és a fogóerőt mérik. Az elektromiográfiai (EMG) érzékelők az izmok elektromos aktivitását olvassák le a protézisek vezérléséhez. Az ipari robotkarokban az ízületek forgását kódolók követik nyomon.
Az EMG-érzékelő teljesítménye nagy jelentőséggel bír a mioelektromos protézisek esetében. Vegye figyelembe a következő specifikációkat:
| Leírás | Myoware izomérzékelő | Fejlesztett EMG érzékelő |
| SNR | 23.39 dB | 32.95 dB |
| Érzékenység | 0.159 V/N | 0.2943 V/N |
| Növekszik az idő | 323 ms | 136 ms |
| Őszi idő | 261 ms | 408 ms |
A kifejlesztett EMG-érzékelő 1.4-szer nagyobb jel-zaj arányt (SNR) és 45%-kal nagyobb érzékenységet mutatott a kereskedelmi forgalomban kapható EMG-érzékelőhöz képest. Emellett a javasolt érzékelő 57%-kal gyorsabb volt a kimeneti válasz előállításában, mint a kereskedelmi forgalomban kapható érzékelő.
A protézisek szabályozásához közepes minőségű, rövidebb válaszidejű (300 ms alatti) és nagyfokú intuitív EMG-készülékre van szükség.
Ez a válaszidő-küszöb megmagyarázza, miért nem csak a pontosság számít az érzékelő kiválasztásánál. A sebesség és az intuitívitás dönti el, hogy a felhasználó megbízik-e az eszközben. Egy későn reagáló viselhető eszköz töröttnek érződik, még akkor is, ha a mérései tökéletesek.
Viselhető robotalkatrészek aktuátorai
A működtetők szerepe
Az aktuátorok energiát alakítanak át mozgássá. Ez a legegyszerűbb módja a magyarázatuknak. Egy viselhető robotban izmokként működnek. Elektromos energiát használnak olyan mozgások létrehozására, amelyek segítenek az emelésben, a járásban vagy a fogásban.
A legtöbb aktuátor motorral kezdődik. A motor gyorsan forog, de nem termel nagy nyomatékot. A hajtásrendszer és a reduktorok megoldják ezt a problémát. Lelassítják a forgást és növelik az erőt. A sebességváltók ezután ezt az erőt a csuklóhoz vagy a végrehajtó egységhez küldik. Az egész lánc számít. Egy gyenge sebességváltó elrontja az erős motort.
A soros rugalmas aktuátorok rugót helyeznek el a motor és a terhelés között. Ez a kialakítás természetes ütéstűrést és biztonságos rugalmasságot biztosít. Ez fontos a rehabilitációs exoskeletonokban az ember-robot fizikai interakciója szempontjából. A rugó hirtelen erőket vesz fel, ahelyett, hogy azokat a testednek átadná.
Az előnyök a gyakorlatban mutatkoznak meg:
- Az átlátható ember-robot interakció 10–15%-kal csökkenti az anyagcsere-költségeket a terheléses gyaloglás során.
- A hátrafelé hajtott erőszabályozás segíti a löket utáni felépülést, amint azt a H2 exoskeleton is mutatja.
- A változó impedanciájú kialakítás javítja az alkalmazkodóképességet az idősebb, legyengült izmokkal rendelkező felhasználók számára.
Ezek a számok rehabilitációs kutatásokból származnak. Megmutatják, hogy a szabályok betartása miért nem csupán egy kellemes extra. Hanem egy biztonsági funkció.
Hogyan gyártják a működtetőket
A működtető gyártása egy többlépéses folyamat. Minden lépéshez szigorú tűréshatárok szükségesek. Egyetlen apró hiba is tönkreteheti az egész egységet.
A CNC megmunkálás először a motorházat alakítja ki. A háznak tökéletesen kell illeszkednie az állórészhez és a forgórészhez. Bármilyen billegés rezgést és zajt okoz. Ezután következik a tekercselés. A gépek pontos feszültséggel tekerelik a rézhuzalt az állórész magja köré. A laza tekercsek hő formájában pazarolják az energiát. A szoros tekercsek a huzal elszakadását okozhatják.
Ezután következik a mágnes összeszerelése. Az állandó mágnesek pontos pozicionálással kerülnek a rotorba. Ezek orientációja határozza meg a motor nyomatékállandóját. A fogaskerék-marók ezután a reduktor fogakat alkotják. A lefejtő- és marógépek olyan fogakat vágnak, amelyek simán illeszkednek. A rosszul megmunkált fogaskerekek gyorsan elkopnak és veszítenek a hatékonyságukból.
Az enkóder integrációja befejezi az építést. Az enkóder nyomon követi a motor helyzetét és sebességét. Ezeket az adatokat visszaküldi a vezérlőnek. Enélkül az aktuátor nem tud egy parancsolt pozícióba mozogni. A vezérlőhurok erre a visszacsatolásra támaszkodik.
Gyakorlati szempontból a lánc minden lépése befolyásolja a végső teljesítményt. Egy nagyszerű motor rossz sebességváltóval ugyanúgy teljesít, mint egy rossz motor. A gyártóknak minden szakaszban ellenőrizniük kell a minőséget.
Lágy és pneumatikus működtetők
Nem minden viselhető robot használ merev motorokat és fogaskerekeket. A lágy robotika más utat jár be. Ezek a rendszerek lágy aktuátorokat, szövetet és rugalmas anyagokat használnak. Hajlanak és nyúlnak a testtel együtt, ahelyett, hogy küzdenének vele.
A lágy robotika megváltoztatja a mérnökök gondolkodásmódját a működtetésről. Ahelyett, hogy minden egyes ízületben motor lenne, a lágy robotika levegőt vagy folyadéknyomást használ. A pneumatikus mesterséges izmok gyakori példák erre. Összehúzódnak, amikor a levegő megtölti a tömlőt egy fonott hüvelyben. A fonat arra kényszeríti a tömlőt, hogy rövidüljön és kitáguljon. Ez a mozgás egy valódi izmot másol.
Ezeknek az aktuátoroknak az elkészítése öntést és gyártást foglal magában. A szilikon vagy gumi egy öntőformába kerül, hogy kialakítsa a tömlőt. A fonott hüvely köré tekeredik. A rétegek ragasztóval vagy hővel kapcsolódnak össze. A kész aktuátor könnyű és rugalmas.
A lágy robotika egyértelmű előnyöket kínál a viselhető eszközök számára. Az anyagok illeszkednek a testhez. Csökkentik a nyomáspontokat. Az ütéseket is jobban elnyelik, mint a merev alkatrészek. Egy stroke-betegeket vagy gyári munkásokat segítő viselhető robot esetében a kényelem dönti el, hogy az emberek ténylegesen használják-e.
A lágy robotikának megvannak a maga előnyei. Ezek az aktuátorok kevesebb erőt termelnek, mint a motorok. Pneumatikus vezetékekre vagy szivattyúkra van szükségük. Ez növeli a súlyt. A lágy robotika azonban folyamatosan növekszik a rehabilitációs és segédeszközök területén. A lágy robotika területe továbbra is vonzza a kutatási finanszírozást. A lágy robotika végül számos viselhető alkalmazásban felválthatja a merev aktuátorokat. A lágy robotika jelentős változást jelent abban, ahogyan a mérnökök megközelítik az emberbarát gépeket. A lágy robotika jövője fényesnek tűnik a viselhető technológia számára.
Viselhető robotalkatrészek szerkezeti elemei
A szerkezeti elemek funkciói
A szerkezeti elemek adják a viselhető robot alakját és szilárdságát. Ezek hordozzák a terheket, tartják a helyén az összes többi alkatrészt, és az erőket a test megfelelő pontjaira irányítják. Gondolj rájuk úgy, mint a csontvázra. Erős váz nélkül az érzékelőknek és az aktuátoroknak nem lenne mihez rögzíteniük.
A szerkezeti alkatrészek listája hosszabb, mint a legtöbben gondolják. Magában foglalja az alapot, a karosszériát, a vázat, az alvázat, az effektorokat és a beviteli eszközöket. Az alap és az alváz alkotja a fő platformot. A váz összeköti az ízületeket és a láncszemeket. Az effektorok azok az alkatrészek, amelyek érintkeznek a felhasználóval vagy a környezettel, mint például egy markolat vagy egy lábtartó. A beviteli eszközök, például a gombok vagy a joystickok, szintén szerkezeti rögzítést igényelnek.
Szerkezeti alkatrészek gyártása
A lemezmegmunkálás a legtöbb vázat és alvázat kezeli. A lézervágás nagy pontossággal alakítja ki a lapos anyagokat. A hajlítógépek ezután háromdimenziós formákká hajtogatják a fémet. A hegesztés egyetlen merev egységgé köti össze a darabokat. Ez a lánc jól működik közepes és nagy alkatrészekhez.
A CNC megmunkálás veszi át a precíziós alkatrészek gyártásának helyét. A csuklókonzolok, csapágyülések és szerelőlapok szigorú tűréshatárokat igényelnek. A CNC marógép vagy esztergagép pontos méretre vágja a fémet. A fröccsöntés bevonja a polimer házakat. Az olvadt műanyag megtölti az acélformát, lehűl, és kész héjként pattan ki belőle. Ez a módszer alkalmas burkolatok és házak nagy volumenű gyártására.
Szerkezetek anyagai
Az anyagválasztás befolyásolja a súlyt, a szilárdságot és a költségeket. Íme, hogyan viszonyulnak egymáshoz a leggyakoribb lehetőségek:
| Anyag | Kulcstulajdonság | Tipikus felhasználás |
| Alumíniumötvözetek | Könnyű, erős, könnyen megmunkálható | Keretek, konzolok |
| Titán | Nagy szilárdság / tömeg arány | Teherhordó illesztések |
| Szénszálas kompozitok | Nagyon merev, nagyon könnyű | Karok, láncszemek |
| Műszaki műanyagok | Olcsó, rugalmas, szigetelő | Házak, burkolatok |
Az alumíniumötvözetek számos viselhető robotalkatrész esetében ideálisak. Gyorsan megmunkálhatók és ellenállnak a korróziónak. A titán drágább, de szilárdság-tömeg aránya kifizetődő a nagy terhelésű kötéseknél. A szénszálas kompozitok kiemelkedő merevséget biztosítanak alacsony súly mellett, ami fontos az egész nap lengő karok esetében. A műszaki műanyagok teszik teljessé a listát a házak és a nem teherhordó alkatrészek esetében.
A megfelelő anyagok kiválasztása egyensúlyozás kérdése. Egy nehezebb váz masszívnak érződik, de fárasztó a felhasználó számára. Egy könnyebb terhelés alatt meghajolhat. A jó gyártási döntések ebben a szakaszban döntik el, hogy a végső viselhető eszköz eszköznek vagy tehernek érződik-e.
Viselhető robotalkatrészek vezérlőrendszerei
A robot agya
A vezérlőrendszer úgy működik, mint egy viselhető robot agya. Befogja az összes érzékelőtől érkező adatokat, kitalálja, mit tegyen ezután, és megmondja a működtetőknek, hogy mit tegyenek. Ez a ciklus másodpercenként sokszor megismétlődik. Ha túl lassú, a robot rángatózónak érződik a felhasználó számára.
A rendszer négy fő részből áll. A vezérlő a logikát futtató processzor. A vezérlőegység tartalmazza a teljesítményelektronikát és a jelfeldolgozást. A szoftver megmondja a hardvernek, hogy milyen szabályokat kell követnie. A bemeneti eszköz interfészei gombokat, joystickokat vagy telefonalkalmazásokat csatlakoztatnak a főpanelhez. Ezek az alkatrészek együttesen a nyers jeleket sima, biztonságos mozgássá alakítják.
Gyártásirányító hardver
A vezérlőpanel építése a NYÁK-lap elkészítésével kezdődik. A rézvezetékeket egy üvegszálas lapra maratják. Ezután a panel felületszerelt (SMT) összeszerelési eljárással kerül összeszerelésre. A gépek apró chipeket helyeznek a panelre, és az újraforrasztás tartja azokat a helyükön.
Az SMT nagyon fontos a lágyrobotok rugalmas áramköreinél. Kevesebb átmenőfurat és forrasztási kötés kevesebb meghibásodási pontot jelent.
A kevesebb átmenőfurat és forrasztási pont miatt a robot megbízhatóbb. Kevesebb csatlakozási ponttal kevesebb helyen mehet el valami. Ez azt jelenti, hogy a robotrendszerek hosszabb ideig működhetnek javítások nélkül.
Az összeszerelés után mikrovezérlőket és chipeket adnak hozzá. Ezután a panelt egy tokba zárják, hogy megvédjék a portól, az izzadságtól és az ütésektől. Ez a lépés dönti el, hogy az elektronika bírja-e a mindennapi használatot.
Szoftver és firmware
A firmware a mikrovezérlőben tárolt kód. Ez kezeli az érzékelők integrációját, az IMU-kból, erőérzékelőkből és kódolókból származó adatokat egyetlen adatfolyamba gyűjti. Az érzékelőfúzió ezeket a méréseket egyetlen, tiszta képpé egyesíti a felhasználó mozgásáról.
A valós idejű vezérlőalgoritmusok ezután ezt a képet használják fel. Kiszámítják, hogy mekkora nyomatékot kell leadnia az egyes aktuátoroknak. A vezérlőhuroknak gyorsan be kell fejeződniük, különben a robot lemarad a felhasználó mögött. A jó firmware a biztonsági ellenőrzéseket is kezeli, például a tápellátás kikapcsolását, ha probléma merül fel.
Gyakorlati szempontból a szoftvernek és a hardvernek együtt kell működnie. Egy nagyszerű alaplap rossz firmware-rel is hibásnak érződik. A mérnökök mindkét alkatrészt egyetlen rendszerként tesztelik, mielőtt bármilyen viselhető robotot piacra dobnának.
Viselhető robotalkatrészek megmunkálási folyamatai
Kivonó gyártás
A szubtraktív módszerek anyagot távolítanak el egy tömör tömbből, amíg el nem érik a végső formát. A CNC megmunkálás ebben a csoportban a legjobb választás. Egy forgószerszám nagy pontossággal vágja a fémet, és az 5 tengelyes gépek olyan szögeket is el tudnak érni, amelyeket a 3 tengelyes beállítások nem tudnak. Alumínium külső vázú illesztéseknél az 5 tengelyes CNC megmunkálás Ra 0.2 µm felületi minőséget eredményez. A standard alumíniumötvözet megmunkálás általában eléri az Ra 0.8 µm értéket. Ez a rés akkor számít, amikor az alkatrészek egymásnak csúsznak, vagy nehéz terheket hordoznak.
A lézervágás és a vízsugaras vágás sík és lemezalkatrészeket is képes megmunkálni. Mindkét módszernek megvannak a maga előnyei a viselhető robotalkatrészek esetében. Nézze meg, hogyan viszonyulnak egymáshoz a szénszálas kompozitok esetében:
| Attribútum | Lézervágó | Vízsugaras vágás |
| Bevágás szélessége | Keskeny vágás | Szélesebb vágás, mint a lézernél |
| Élminőség | Ropogós, szögletes él; kis hőhatásövezet | Sima szatén szél; nincs hőhatásövezet |
| Szénszál alkalmassága | Nem ajánlott – mérgező füstök | Ajánlott – a hidegerózió ép szerkezetet hagy maga után |
A lézervágás páratlan pontosságot biztosít az 5 mm-nél vastagabb vékony szénszálas lemezek esetében. Az érintkezésmentes eljárás megszünteti a szerszámkopást. A hőkárosodás azonban kockázatot jelent. A rossz beállítások gyengíthetik a gyantakötéseket. A vízsugaras vágás kiválóan alkalmas 10 mm-nél vastagabb szénszálak vágására hő okozta torzulás nélkül. Az abrazív sugár tökéletesen kezeli a réteges kompozitokat. A hátrányok a lassabb sebességek és a fúvókakopásból adódó magasabb karbantartási költségek. A vékony lemezek lézerrel, a vastag lemezek vízsugarassal vághatók. Az egyszerű formák mindkettővel működnek. A háromdimenziós görbékhez CNC szükséges.
Adalékanyagok gyártása
A 3D nyomtatás rétegről rétegre építi az alkatrészeket digitális fájlokból. Ez a folyamat nagyszerűen alkalmazható prototípus-készítés és egyedi alkatrészek gyártása során. Az FDM az olvasztott műanyagot egy fúvókán keresztül préseli. Olcsó és gyors, ami illeszkedik a korai tervezési ellenőrzésekhez. Az SLA lézert használ a folyékony gyanta kikeményítésére. Simább felületeket és finomabb részleteket hoz létre. Az SLS lézerrel egyesíti a port, így tartószerkezetek nélküli, erős alkatrészeket hoz létre.
A viselhető robotalkatrészek esetében az additív gyártás jelentősen lerövidíti az átfutási időket. Egy egyedi protézisfoglalat, amelynek elkészítése korábban hetekig tartott, most napok alatt kinyomtatható. A mérnökök gyorsabban dolgoznak, mivel hamarabb megtartják a fizikai alkatrészeket. Az anyagok az alapvető PLA-tól a mérnöki minőségű nejlonon és szénszállal töltött szálakon át terjednek. Minden opció másképp egyensúlyozza ki az erősséget, a súlyt és a költségeket.
Formációs és csatlakozási folyamatok
A formázási módszerek az anyagot elvágás nélkül alakítják. A fröccsöntés az olvadt műanyagot acélformába kényszeríti. A műanyag lehűl, és kész héjként pattan ki belőle. Ez az eljárás alkalmas házak és burkolatok nagy volumenű gyártására. A hőformázás során a műanyag lapot addig melegítik, amíg megpuhul, majd a formára húzza. Jól működik nagy, vékony alkatrészek, például sisakhéjak vagy karosszériaelemek esetében.
Az illesztési folyamatok a különálló darabokat tartják össze. A hegesztés hővel vagy nyomással olvasztja össze a fém alkatrészeket. A ragasztás kémiai kötéseket használ a felületek összekapcsolására. A ragasztók egyenletesen osztják el a feszültséget, és különböző anyagokon is működnek. Egy alumínium konzolhoz rögzített szénszálas kar is ebből a megközelítésből profitál. A megfelelő illesztési módszer a terhelés típusától, az anyagpártól és a környezeti expozíciótól függ. Gyakorlati szempontból a viselhető robotalkatrészek legjobb gyártási folyamata gyakran több módszert kombinál egyetlen összeszerelésben.
Viselhető robotalkatrészek tervezési szempontjai
Súly, kényelem és ergonómia
Egy túl nehéz viselhető robot senkinek sem segít. Az emberek egyszerűen abbahagyják a viselését. Minden gramm számít egy nyolcórás műszak alatt. A mérnökök könnyű anyagokat választanak, mint az alumínium és a szénszál. Eltávolítják az anyagot, ahol nincs rá szükség. A kényelem attól függ, hogyan illeszkedik az eszköz a testedhez. A pántoknak párnázásra van szükségük. Az ízületeknek illeszkedniük kell a természetes mozgásodhoz. A rossz illeszkedés súrlódást és fájdalmat okoz.
Az ergonómiai szabványok segítenek a megfelelő illeszkedés elérésében. Az ISO 11228 szabvány szabályokat határoz meg az emelésre és a hordozásra vonatkozóan. Megmondja a tervezőknek, hogy mekkora súly a biztonságos, és melyik kéztartás működik a legjobban. Például határozott fogást javasol semleges csuklóval, és figyelmeztet a szélsőséges szögekre. Ez közvetlenül befolyásolja a külső vázú kartámaszok felépítését. Egy másik szabvány, az ISO 11226 a statikus munkapozíciókkal foglalkozik. Szabályokat ad azokra a tervezési folyamatokra, ahol a munkavállalók hosszú ideig mozdulatlanul állnak. A gyárakban található csukló külső vázai esetében a kézi anyagmozgatásra és a statikus testtartásra vonatkozó szabályok a leghasznosabb iránymutatások.
Ezek a szabályok segítenek a mérnököknek eldönteni, hogy hol adjanak hozzá támasztékot, és hol hagyják szabadon a mozgást. Egy jó kialakítás lehetővé teszi a természetes hajlást, miközben a robot a terhet hordozza.
Tartósság és biztonság
A robotalkatrészek izzadságnak, pornak és ismételt igénybevételnek vannak kitéve. Egy konzol, ami egy hét után megreped, használhatatlan. A tartósság a megfelelő anyagválasztással kezdődik. A fémeknek ellenállniuk kell a rozsdának. A műanyagoknak el kell viselniük az ütéseket. A hőkezelés is fontos. A motorok használat közben felforrósodnak. Ha hő halmozódik fel, az alkatrészek meghibásodhatnak, vagy a felhasználó megégetheti magát. A tervezők szellőzőnyílásokat vagy hűtőbordákat építenek be a hőmérséklet alacsonyan tartása érdekében.
A biztonsági szabványok határozzák meg az elfogadható mércét. Az ISO 13482 szabvány a személyi gondozó robotokra vonatkozik. Ide tartoznak a mobil kiszolgáló robotok, a fizikai asszisztens robotok (amelyek magukban foglalják az exoskeletonokat) és a személyszállító robotok. Az exoskeletonok esetében a szabvány három kategóriába sorolható speciális jellemzőket ír elő:
- Eredetileg biztonságos mechanikai kialakítás – becsípődés elleni védelem, felületi rugalmasság és stabilitás.
- Funkcionális biztonság és vezérlés – vészleállítás, sebességszabályozás, erő-/nyomatékkorlátozás és környezetérzékelés.
- Kiszámítható, kontrollálható viselkedés – egyértelmű szándékjelzések, könnyen kezelhető vészleállás és elegáns leépítés.
Ezek a követelmények arra késztetik a tervezőket, hogy elgondolkodjanak azon, mi mehet rosszul. Egy érzékelő elromlik. Az akkumulátor lemerül emelés közben. A robotnak biztonságosan kell meghibásodnia. Ezen szabványok betartása megnyitja a piacokat és bizalmat épít.
A sérülések csökkentésére való tervezés
Az exoskeleton célja a sérülések csökkentése. A gyárakban a munkások a nehéz tárgyak emelésétől megsérülnek. Az exoskeletonok a gerincet támasztják meg, és átveszik a terhelés egy részét. Az építkezéseken a fej felett végzett munka megterheli a vállakat. A kartámaszok tartják a testsúlyt. Azzal, hogy az erőket a felhasználó testétől elterelik, ezek az eszközök megakadályozzák az izom- és csontkárosodást, mielőtt az elkezdődne.
Az orvostechnikai eszközök ugyanezt az elvet követik. A rehabilitációs külső váz segít a stroke-ot kapott betegeknek újra járni. De meg kell védenie őket az esésektől is. Az érzékelők érzékelik, ha a beteg instabil. A vezérlőrendszer lekapcsolja az áramellátást vagy beállítja a támaszt. A tervezők párnázást adnak az érintkezési pontokhoz. A kereteket úgy alakítják, hogy elkerüljék a csontok terhelését. Minden részlet a gyógyítást, nem pedig a kárt célozza.
A jó tervezés többet jelent, mint pusztán a felhasználó támogatását. Aktívan védi a felhasználót. Egy jól illeszkedő eszköz természetesnek érződik. Szabadon mozoghatsz, a robot pedig segít anélkül, hogy útban lenne. A rossz tervezés új kockázatokat teremt, például becsípődést vagy túlmelegedést. Ezért fontosak a szabványok, és ezért kritikus fontosságú a tesztelés. Ha a mérnökök jól csinálják, ezek a gépek biztonságosabbá teszik a veszélyes munkákat, és segítenek az embereknek gyorsabban felépülni a sérülésekből.
Viselhető robotalkatrészek anyagai
Fémek és ötvözetek
A legtöbb hordható robotalkatrészben a fémek végzik a nehéz munkát. A keretekhez és konzolokhoz az alumíniumötvözetek a legjobb választás. Könnyűek, erősek és könnyen megmunkálhatók. A titán drágább, de magas szilárdság-tömeg aránya tökéletessé teszi teherhordó kötésekhez. A rozsdamentes acél teszi teljessé a listát. Ellenáll a rozsdának és jól tűri a nagy terhelést, ami alkalmas a szerkezeti csapokhoz és rögzítőelemekhez.
A megfelelő fém kiválasztása a feladaton múlik. Egy csípő külső vázának merevségre van szüksége extra súly nélkül. Az alumínium ezt jól kezeli. Egy térdízületnek, amely ismételt ütéseket bír, titánra lehet szüksége. A rozsdamentes acél olyan alkatrészekhez alkalmas, amelyek izzadságnak és időjárásnak vannak kitéve. Minden fémnek megvan a saját egyensúlya a súly, a szilárdság és a költség tekintetében.
Polimerek és kompozitok
A műanyagok és kompozitok mindent lefednek a házaktól a karokig. Az ABS egy általános célú műszaki műanyag. Jó ütésállósággal rendelkezik, könnyen formázható, és jól viseli a festékeket és a felületkezeléseket. Ez teszi szabványossá a szórakoztatóelektronikai házakban és a berendezések dobozaiban. A polikarbonát (PC) még nagyobb ütésállóságot kínál. Emellett méretstabilitást és optikai tisztaságot biztosít természetes minőségben. UV-álló minőségek is kaphatók kültéri használatra.
| Műanyag | Ütésállóság |
| ABS | Magas |
| Polikarbonát (PC) | Nagyon magas |
A PC/ABS keverékek jobb ütésállóságot és könnyebb feldolgozhatóságot biztosítanak, mint a töltetlen PC. A viselhető robotalkatrészek esetében ez fontos szempont, amikor a burkolatoknak ki kell bírniuk az ütéseket és a mindennapi kopást. A szénszálas kompozitok kiemelkedő merevséget biztosítanak alacsony súly mellett. Az üvegszál olcsóbb, mégis növeli a szilárdságot. A nejlon használható fogaskerekekhez és kopóalkatrészekhez. Ezek az anyagok lehetővé teszik a mérnökök számára a súlycsökkentést a tartósság feladása nélkül.
Intelligens és funkcionális anyagok
Az intelligens anyagok alakjukat vagy tulajdonságaikat gerjesztés hatására megváltoztatják. Az alakmemóriás ötvözetek hevítés hatására visszanyerik eredeti formájukat. Ez hasznossá teszi őket kompakt aktuátorokban. A piezoelektromos anyagok töltést generálnak összenyomáskor. Feszültség hatására is képesek alakjukat változtatni. Ezek az anyagok támogatják az érzékelést és a mozgást szűk helyeken.
A vezetőképes textíliák életre keltik a lágy robotikát. Jeleket és energiát továbbítanak a szöveten keresztül. Ez lehetővé teszi, hogy a lágy robotikák a testtel együtt hajoljanak és nyúljanak. A lágy robotika ezekre a rugalmas anyagokra támaszkodik a kényelmes viselet érdekében. A lágy robotika a nyomásérzékeléshez is használja őket. A lágy robotika olyan szövetekből profitál, amelyek merevségérzet nélkül vezetik az áramot. A lágy robotika minden évben új intelligens anyagokat alkalmaz. A lágy robotikával foglalkozó kutatók vezetőképes textíliákat tesztelnek izomszerű működtetésre. A lágy robotika egy napon számos viselhető eszköz merev alkatrészeit válthatja fel. A lágy robotika már megjelenik a rehabilitációs kesztyűkben és a segédruhákban. A lágy robotika jelentős változást jelent abban, ahogyan a mérnökök emberbarát gépeket építenek.
Viselhető robotalkatrészek alkalmazásai
Ipari és gyártási alkalmazások
A gyárak ma már minden nap használnak viselhető robotalkatrészeket. A munkások külső vázakat öltenek magukra egy hosszú műszak előtt a szerelőszalagon. Ezek az eszközök megtámasztják a hátat, a vállakat és a lábakat az újra és újra elvégzett feladatok során. Egy ipari viselhető robot nem helyettesíti a munkást. Ehelyett segít a fizikai teher cipelésében.
Az autógyárak korán elkezdték használni őket. Az összeszerelő munkások, akik órákon át a fejük fölé emelik a karjukat, kartámasztó exoskeletonokat kapnak. Az eszköz tartja a szerszám súlyát, így a vállizmok pihenhetnek. A logisztikai munkások, akik egész nap dobozokat emelnek, háttámasztó ruhát viselnek. Ezek a felhasználási módok csökkentik a fáradtságot és növelik a munkavállalók hatékonyságát a műszak alatt. Ugyanezek az alkatrészek jelennek meg az építőiparban, a mezőgazdaságban és a raktározásban is. Minden környezethez más-más érzékelők, működtetők és keretek keverékére van szükség.
Orvosi és rehabilitációs alkalmazások
Az orvosok és terapeuták hatékony módon használják a viselhető robotalkatrészeket. Egy orvosi viselhető robot segít a betegeknek újra járni stroke vagy gerincvelő-sérülés után. Az elektromos külső vázak természetes járásmintát követve vezetik a lábakat. Az ilyen rehabilitációs eszközök lehetővé teszik a terapeuták számára, hogy a beteg megtartása helyett a haladásra koncentráljanak. Az elektromos ízületekkel ellátott protézisek visszaadják a fogást és az egyensúlyt az amputált betegeknek. A sebészeti segítő robotok is ugyanazt az érzékelő és működtető technológiát használják.
Klinikai eredmények alátámasztják ezt. Egy stroke utáni vizsgálatban a külső vázat használó 9 beteg közül 7 javult a járásban. Egy járásteszten 2-4-es szintet értek el. Eközben a külső vázat nem használó 8 beteg közül 6 a legalacsonyabb szinten (0-1) maradt. Az életminőségi pontszámok sokkal magasabbak voltak az külső vázat használó csoportban, a középső pontszám 0.767 volt, szemben a másik csoport 0.434-es értékével. Komolyabb negatív események nem történtek.
A felhasználók a biztonságot és a kényelmet 4.5-ből közepes pontszámmal értékelték. Néhányan továbbra is panaszkodtak a súlyra és az élettartamra. Ez a visszajelzés arra ösztönzi a mérnököket, hogy minden alkatrészt folyamatosan jobbá tegyenek.
A munkavállalók biztonságát fokozó alkalmazások
Ezeknek a gépeknek a legnagyobb előnye a munkavállalók biztonságának növelése. A hátsérülések, a vállhúzódás és az ízületi kopás sújtja a fizikailag megterhelő munkakörülményeket. Az izom- és csontsérülések évente milliárdokba kerülnek a vállalatoknak az elvesztegetett idő miatt. A viselhető robotalkatrészek az erőt a testtől a váz felé irányítják. Ez az egyszerű változtatás megakadályozza a károsodást, mielőtt az elkezdődne.
A jó testtartás megtámasztása a legfontosabb az ismételt emelések során. Az exoskeleton biztonságos ívben tartja a gerincet és megosztja a terhet. A dolgozók hosszabb ideig maradnak produktívak, és fájdalom nélkül mehetnek haza. Gyakorlati szempontból a biztonság és a termelékenység itt nem ellentétek. Összetartoznak. A lágy robotika egy újabb réteget ad hozzá azáltal, hogy ezeket a ruhákat könnyebbé és kényelmesebbé teszi. A lágy robotika lehetővé teszi, hogy az eszköz a testtel együtt hajoljon, ahelyett, hogy ellenkezne vele. A technológia fejlődésével egyre bővülő felhasználási területei az egészségügyben, a raktározásban és a gyártásban.
NOBLE: Viselhető robotalkatrészek készítése
Fém- és műanyag-megmunkálási készségek
A NOBLE fém és műanyag megmunkálásáról ismert, és ez a szakterület jól illeszkedik a viselhető robotalkatrészekhez. A kereteknek, konzoloknak és illesztési házaknak minden alkalommal pontos méretekre és sima felületekre van szükségük. A cég CNC megmunkálást, lemezmegmunkálást és fröccsöntést végez egy helyen. Ez a keverék lefedi az alumínium kereteket, titán illesztéseket és műanyag burkolatokat anélkül, hogy a munkát más műhelyekbe küldené.
Időt takarít meg, ha egyetlen partnert választunk mind a fém, mind a műanyag termékekhez. Ha egy konzol terve megváltozik, nem kell új beszállítót keresni. A mérnökök módosítják a CAD fájlt, és a műhely elkészíti az új verziót. A viselhető eszközök esetében, amelyek számos tesztmodellen esnek át, ez a sebesség fontos.
Tanúsítványok és minőség
A minőségbiztosítási rendszerek megmutatják, hogy mely gyártók komolyak, és melyek nem. A NOBLE ISO 9001:2015 és ISO 13485:2016 tanúsítvánnyal rendelkezik. A második igazán fontos mindazok számára, akik orvosi vagy egészségügyi termékeket gyártanak.
Az ISO 13485 tanúsítvány az orvostechnikai eszközök gyártása terén a legmagasabb minőségi, biztonsági és jogi kiválósági szabványok iránti elkötelezettséget mutatja.
Ez az elkötelezettség valódi módon megtérül. A tanúsított beszállítók gyakran a következőket kapják:
- Nagy orvostechnikai eszközöket gyártó cégek megbízható beszállítóként való jóváhagyása.
- Magasabb árak, mert a vevőknek kevesebb munkájuk van az ellenőrzésükkel.
- Kevesebb ügyfél-ellenőrzés, mivel az ISO tanúsítvány számos felülvizsgálati követelménynek megfelel.
- Új orvostechnikai eszközöket vásárló ügyfelek gyorsabb regisztrációja.
Egy steril eszközöket gyártó szerződéses gyártó megszerezte az ISO 13485 tanúsítványt, és 12 hónapról 4 hónapra csökkentette az ügyfél jóváhagyási idejét. Az auditok száma évi négy alkalomról évi egy alkalomra csökkent. A szerződések értéke 25%-kal nőtt a jobb pozicionálásnak köszönhetően, és a cég olyan európai piacokra is belépett, amelyek korábban zártnak tűntek. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy mire képes egy erős minőségbiztosítási rendszer egy viselhető robotprogram esetében.
Teljes körű szolgáltatás a tervezéstől az összeszerelésig
A NOBLE többet tesz, mint gépek üzemeltetését. A csapat végigkíséri a tervezéstől az összeszerelésig tartó folyamatot. A folyamat a gyártásra vonatkozó tervek visszajelzéseivel kezdődik. A mérnökök rámutatnak azokra a jellemzőkre, amelyeket nehéz lesz megmunkálni vagy önteni, mielőtt a szerszámokat kivágnák. Ezután következnek a tesztmodellek, majd a gyártószerszámok, végül a végső összeszerelés és tesztelés.
Ez a teljes körű megközelítés a viselhető robotalkatrészekre is alkalmazható, mivel az alkatrészek együttműködnek. Az érzékelő tartójának egy vonalban kell lennie a vázzal. A háznak helyet kell hagynia a működtetőnek. Amikor egy csapat kezeli az összes lépést, ezeket a csatlakozásokat már a kezdeti szakaszban ellenőrzik. Az olvasók, akik egy projektet terveznek, felvehetik a kapcsolatot a NOBLE-lal, és elkezdhetik a beszélgetést.
Egy viselhető robotnak öt alapvető alkatrészre van szüksége: érzékelőkre, aktuátorokra, szerkezeti elemekre, tápegységekre és vezérlőrendszerekre. A fotolitográfia apró MEMS érzékelőket hoz létre. A tekercselés és a CNC megmunkálás az aktuátorokat gyártja. A CNC megmunkálás a kereteket is formázza. A fröccsöntés műanyag házakat készít. A NYÁK-összeszerelés vezérlőpaneleket épít. Az akkumulátorgyártás az egész eszközt működteti. Az olyan anyagok, mint a szénszál, alacsonyan tartják a súlyt anélkül, hogy veszítenének a szilárdságukból. A jó tervezés segít csökkenteni a sérüléseket és biztonságban tartja a munkavállalókat a hosszú műszakok során. A fejlett gyártás évről évre jobb anyagokkal és módszerekkel viszi előre a viselhető robotikát. Ha viselhető robot projekted van, a NOBLE teljes körű támogatást nyújt a tervezéstől az összeszerelésig.
Viselhető robotalkatrészek GYIK-ja
Melyek a viselhető robotok főbb alkatrészei?
Öt fő kategória szinte minden eszközt lefed: érzékelők, aktuátorok, szerkezeti alkatrészek, tápegységek és vezérlőrendszerek. Az érzékelők a mozgást és az erőt olvassák le. A aktuátorok mozgást hoznak létre. A szerkezeti alkatrészek mindent összetartanak. A tápegységek működtetik az elektronikát. A vezérlőrendszerek mindent összekapcsolnak, és eldöntik, hogy mi történik ezután.
Milyen gyártási folyamat állítja elő az egyes alkatrészeket?
Minden viselhető robotalkatrésznek megvan a saját folyamata. Fotolitográfia és MEMS gyártás segítségével mikroszenzorok készülnek. CNC megmunkálás és tekercselés alakító aktuátorok. Lemezmegmunkálás és fröccsöntés segítségével keretek és házak készülnek. NYÁK-összeszereléssel vezérlőpanelek készülnek. Az akkumulátorcellák gyártásával tápegységek készülnek.
Miért olyan fontosak a szenzorok egy viselhető robotban?
Az érzékelők jelzik a robotnak, hogy mit csinál a tested. Az IMU (Intelligens Mutató) nyomon követi az ízületek szögeit. Az erőérzékeny ellenállás méri a tapadást. Az EMG érzékelő az izomjeleket olvassa. Ha az érzékelés hibás, a készülék a segítség helyett harcol. A válaszidő is számít – a protézisvezérlésnek 300 ms alatti értékekre van szüksége ahhoz, hogy természetesnek érezze magát.
Mi a különbség a merev és a lágy aktuátorok között?
A merev aktuátorok motorokat, fogaskerekeket és sebességváltókat használnak. Nagy erőt és precíz vezérlést biztosítanak. A lágy aktuátorok légnyomást, szövetet és rugalmas anyagokat használnak. Hajlanak a testtel együtt, és jobban elnyelik az ütéseket. A kompromisszum az alacsonyabb erőkifejtés, és gyakran szivattyúkra vagy légvezetékekre van szükségük.
Mely anyagok a legmegfelelőbbek szerkezeti elemekhez?
Attól függ, milyen feladatot kell ellátni. Az alumíniumötvözetek könnyűek és könnyen megmunkálhatók, így keretek és konzolok készítésére alkalmasak. A titán nagy szilárdság-tömeg aránnyal rendelkezik a teherhordó kötéseknél. A szénszálas kompozitok kis súly mellett is merevek maradnak. A műszaki műanyagok alacsony költséggel kezelik a házakat és fedeleket.
A viselhető robotoknak meg kell felelniük a biztonsági előírásoknak?
Igen, és a szabályok a felhasználástól függenek. Az ISO 13482 szabvány a személyi gondozó robotokra, beleértve az exoskeletonokat is, vonatkozik. Előírja a becsípődés elleni védelmet, a vészleállítást és az erőkorlátozásokat. Az ISO 11228 és az ISO 11226 szabványok az emeléshez és a statikus testtartáshoz szükséges ergonomikus kialakítást szabályozzák. Ezen szabványok betartása bizalmat épít és piacokat nyit.
Kiválthatja-e a 3D nyomtatás a CNC megmunkálást ezeknél az alkatrészeknél?
Nem teljesen. Az additív gyártás nagyszerű prototípus-készítéshez és egyedi munkákhoz. Egy egyedi protézishüvely, amelynek elkészítése korábban hetekig tartott, napok alatt kinyomtatható. A gyártási keretek és illesztések azonban továbbra is CNC megmunkálást igényelnek a szűk tűrések és a sima felületek érdekében. A legtöbb gyártás mindkét módszert kombinálja, plusz a fröccsöntést a nagy volumenű házakhoz.
Hogyan válasszak gyártási partnert?
Keressen fém- és műanyag-megmunkálási szolgáltatásokat egy helyen, mivel a keretek, illesztések és házak mind illeszkednek egymáshoz. Ellenőrizze a minőségi tanúsítványokat – az ISO 9001:2015 az általános minőséget fedi le, az ISO 13485:2016 pedig az orvostechnikai eszközökre vonatkozik. Egy olyan partner, amely a tervezési visszajelzéseket, a prototípus-készítést és a végső összeszerelést kezeli, időt takarít meg, és korán felismeri az illeszkedési problémákat.
