Носимый робот — это устройство с электроприводом, которое вы носите на теле, чтобы помочь себе двигаться. Для его работы необходимы пять основных компонентов: датчики, исполнительные механизмы, конструктивные элементы, источники питания и системы управления. Каждый компонент носимого робота изготавливается по-своему. Датчики создаются с помощью фотолитографии, конструктивные элементы формируются на станках с ЧПУ, корпуса изготавливаются методом литья под давлением, системы управления создаются с помощью сборки печатных плат, а для источников питания требуется производство батарейных элементов. Ожидается, что к 2030 году рынок этих носимых технологий достигнет 11 889,36 млн долларов США, увеличиваясь на 43.45% в год. Представьте себе промышленный экзоскелет или умный протез. Эти компоненты носимого робота работают вместе, чтобы уменьшить нагрузку и восстановить функции. Давайте посмотрим, как материалы и производство делают их реальностью.
Датчики в компонентах носимых роботов
Что делают датчики?
Датчики действуют как нервная система носимого робота. Они обнаруживают движение, силу, положение и сигналы от тела пользователя и окружающей среды. Без датчиков устройство не смогло бы определить, когда вы идете, поднимаете тяжести или стоите неподвижно.
Представьте себе промышленный экзоскелет. Он должен знать угол наклона вашего бедра, силу, которую вы прилагаете к грузу, и электрическую активность ваших мышц. Эта информация поступает в контроллер, который затем решает, какой вспомогательный крутящий момент нужно приложить. Если датчики работают неправильно, робот будет работать против вас, а не помогать.
Инерциальные измерительные блоки (IMU) — хороший тому пример. Они объединяют акселерометры, MEMS-гироскопы и алгоритмы слияния данных для получения точных данных о движении и поддержки интеллектуального управления. Это помогает экзоскелетам реагировать на желания пользователя и естественно подстраиваться под него. В мягких экзоскелетах IMU собирают данные о движении в реальном времени, такие как угол, угловое ускорение и угловая скорость. Это позволяет системе управления распознавать рельеф местности и точно корректировать режимы движения.
Инерциальные измерительные блоки (IMU) также позволяют проводить анализ походки вне помещений, преодолевая ограничения традиционных систем захвата движений. Они позволяют оценивать намерения человека относительно движения, что является ключевым моментом для управления экзоскелетами. Носимые системы IMU предоставляют эталонные данные для вспомогательных стратегий достижения желаемых траекторий. Несколько IMU, размещенных на разных сегментах тела, собирают сложные данные и, посредством объединения данных с датчиков, оценивают кинематику и углы суставов.
Как производятся датчики
Методы изготовления этих устройств различаются в зависимости от типа датчика. Микросенсоры, такие как MEMS-гироскопы внутри инерциального измерительного блока (IMU), основаны на фотолитографии и MEMS-технологиях. Эти процессы позволяют создавать крошечные механические структуры на кремниевых пластинах слой за слоем с удивительной точностью.
Гибкие и эластичные датчики создаются по другому принципу. Трафаретная печать наносит проводящие чернила на полимерные подложки, создавая тонкие, гибкие чувствительные элементы. Этот метод хорошо подходит для носимых устройств, где датчик должен соответствовать изогнутым поверхностям тела.
Затем сенсорные модули проходят этап установки компонентов. Машины с высокой скоростью размещают крошечные компоненты на печатных платах, а пайка оплавлением фиксирует их на месте. На практике этот этап определяет надежность больше, чем почти любой другой.
Такие компании, как NOBLE, ведущее производственное предприятие в Китае, предоставляют на этом этапе выдающиеся возможности обслуживания и профессиональную экспертизу в области механической обработки. Они помогают клиентам эффективно переходить от прототипирования к серийному производству компонентов для носимых роботов, что значительно сокращает циклы разработки.
Распространенные типы датчиков
В носимой робототехнике постоянно встречаются различные семейства датчиков. Инерциальные измерительные блоки отвечают за отслеживание движения. Чувствительные к силе резисторы измеряют давление и силу захвата. Электромиографические (ЭМГ) датчики считывают электрическую активность мышц для управления протезами. Энкодеры отслеживают вращение суставов в манипуляторах промышленных роботов.
Характеристики ЭМГ-датчиков имеют огромное значение для миоэлектрических протезов. Учитывайте следующие параметры:
| Параметр | мышечный датчик Myoware | Разработан датчик ЭМГ |
| SNR | 23.39 дБ | 32.95 дБ |
| чувствительность | 0.159 В/Н | 0.2943 В/Н |
| Время нарастания | 323 мс | 136 мс |
| Время падения | 261 мс | 408 мс |
Разработанный ЭМГ-датчик продемонстрировал в 1.4 раза более высокие значения отношения сигнал/шум и на 45% более высокую чувствительность по сравнению с коммерческим ЭМГ-датчиком. Кроме того, предложенный датчик был на 57% быстрее коммерческого датчика в формировании выходного сигнала.
Для управления протезом необходимы ЭМГ-устройства среднего качества с меньшим временем отклика (менее 300 мс) и высокой степенью интуитивно понятного интерфейса.
Этот пороговый уровень времени отклика объясняет, почему выбор датчика зависит не только от точности. Скорость и интуитивность определяют, доверяет ли пользователь устройству. Носимое устройство, реагирующее с задержкой, кажется неисправным, даже если его показания идеальны.
Исполнительные механизмы в компонентах носимых роботов
Роль исполнительных механизмов
Исполнительные механизмы преобразуют энергию в движение. Это самый простой способ объяснить их работу. В носимом роботе они работают как мышцы. Они используют электрическую энергию для создания движений, которые помогают вам поднимать тяжести, ходить или хватать предметы.
Большинство приводов начинаются с двигателя. Двигатель вращается быстро, но не развивает большого крутящего момента. Приводная система и редукторы решают эту проблему. Они замедляют вращение и увеличивают усилие. Затем трансмиссии передают это усилие на шарнир или концевой эффектор. Вся цепь имеет значение. Слабый редуктор тратит впустую мощный двигатель.
В последовательно соединенных упругих актуаторах между двигателем и нагрузкой добавляется пружина. Такая конструкция обеспечивает естественную устойчивость к ударам и безопасную податливость. Это важно для физического взаимодействия человека и робота в реабилитационных экзоскелетах. Пружина поглощает внезапные нагрузки, а не передает их вашему телу.
Преимущества проявляются на практике:
- Прозрачное взаимодействие человека и робота снижает метаболические затраты во время ходьбы с нагрузкой на 10–15%.
- Как показано на примере экзоскелета H2, управление силой обратного хода способствует восстановлению после инсульта.
- Конструкции с переменным импедансом повышают адаптивность для пожилых пользователей со слабыми мышцами.
Эти данные получены в результате исследований в области реабилитации. Они показывают, почему соблюдение правил — это не просто приятное дополнение, а элемент безопасности.
Как производятся исполнительные механизмы
Производство приводов — это многоэтапный процесс. На каждом этапе требуется жесткая точность. Небольшая ошибка на одном этапе может привести к поломке всего устройства.
Сначала на станках с ЧПУ формируется корпус двигателя. Корпус должен обеспечивать идеальное выравнивание статора и ротора. Любое колебание вызывает вибрацию и шум. Затем следует намотка катушки. На станках медная проволока наматывается на сердечник статора с точным натяжением. Свободно намотанные катушки теряют энергию в виде тепла. Плотно намотанные катушки создают риск обрыва проволоки.
Далее следует сборка магнитов. Постоянные магниты устанавливаются в ротор с точным позиционированием. Их ориентация определяет постоянную крутящего момента двигателя. Затем производится нарезка зубчатых передач. Зубофрезерные и строгальные станки нарезают зубья, которые плавно зацепляются. Некачественно нарезанные шестерни быстро изнашиваются и теряют эффективность.
Интеграция энкодера завершает сборку. Энкодер отслеживает положение и скорость двигателя и передает эти данные контроллеру. Без него исполнительный механизм не сможет переместиться в заданное положение. Контур управления зависит от этой обратной связи.
С практической точки зрения, каждый этап этой цепочки влияет на конечные характеристики. Отличный двигатель с неисправным редуктором будет работать так же плохо. Производители должны контролировать качество на каждом этапе.
Мягкие и пневматические приводы
Не все носимые роботы используют жесткие двигатели и шестерни. Мягкая робототехника идет другим путем. В таких системах используются мягкие приводы, ткань и податливые материалы. Они изгибаются и растягиваются вместе с телом, а не сопротивляются ему.
Мягкая робототехника меняет представление инженеров о приводах. Вместо двигателя в каждом суставе, мягкая робототехника использует давление воздуха или жидкости. Пневматические искусственные мышцы — распространенный пример. Они сокращаются, когда воздух заполняет баллон внутри плетеной оболочки. Плетеная оболочка заставляет баллон укорачиваться и расширяться. Это движение имитирует движение настоящей мышцы.
Изготовление этих актуаторов включает в себя формование и изготовление. Силикон или резина заливаются в форму для формирования баллона. Плетеная оболочка обматывается вокруг него. Слои соединяются между собой с помощью клея или тепла. Готовый актуатор легкий и гибкий.
Мягкая робототехника предлагает очевидные преимущества для носимых устройств. Материалы адаптируются к форме тела, уменьшают точки давления и лучше поглощают удары, чем жесткие детали. Для носимого робота, помогающего пациентам после инсульта или рабочим на заводе, комфорт определяет, будут ли люди им пользоваться.
Мягкая робототехника имеет свои недостатки. Эти приводы создают меньшую силу, чем двигатели. Им необходимы пневматические линии или насосы. Это увеличивает габариты. Тем не менее, мягкая робототехника продолжает развиваться в области реабилитации и вспомогательных устройств. Область мягкой робототехники продолжает привлекать финансирование исследований. В конечном итоге мягкая робототехника может заменить жесткие приводы во многих носимых устройствах. Мягкая робототехника представляет собой серьезный сдвиг в подходе инженеров к созданию дружественных человеку машин. Будущее мягкой робототехники выглядит многообещающим для носимых технологий.
Структурные компоненты носимых роботизированных устройств
Функции конструктивных элементов
Конструктивные элементы придают носимому роботу форму и прочность. Они несут грузы, удерживают на месте все остальные компоненты и передают усилия в нужные точки тела. Представьте их как скелет. Без прочного каркаса датчикам и исполнительным механизмам не к чему было бы прикрепиться.
Список конструктивных элементов длиннее, чем кажется большинству людей. Он включает в себя основание, корпус, раму, шасси, концевые захваты и устройства ввода. Основание и шасси составляют основную платформу. Рама соединяет шарниры и звенья. Концевые захваты — это части, которые соприкасаются с пользователем или окружающей средой, например, рукоятка или подножка. Устройства ввода, такие как кнопки или джойстики, также нуждаются в конструктивном креплении.
Производство конструкционных деталей
Изготовление деталей из листового металла позволяет обрабатывать большинство рам и шасси. Лазерная резка позволяет с высокой точностью формировать плоские заготовки. Затем гибочные станки сгибают металл, придавая ему трехмерную форму. Сварка соединяет детали в единое жесткое целое. Этот метод хорошо подходит для деталей среднего и большого размера.
Для изготовления прецизионных деталей используется обработка на станках с ЧПУ. Кронштейны соединений, опоры подшипников и монтажные пластины требуют жестких допусков. Фрезерный или токарный станок с ЧПУ обрабатывает металл с точными размерами. Литье под давлением используется для изготовления полимерных корпусов. Расплавленный пластик заполняет стальную форму, охлаждается и извлекается в виде готового корпуса. Этот метод подходит для крупносерийного производства крышек и корпусов.
Материалы для конструкций
Выбор материала влияет на вес, прочность и стоимость. Вот сравнение наиболее распространенных вариантов:
| Материал | Ключевое свойство | Типичное использование |
| Алюминиевые сплавы | Легкий, прочный, легко поддается механической обработке. | Рамы, кронштейны |
| Титан | Высокое соотношение прочности к массе | Несущие соединения |
| Композиты из углеродного волокна | Очень жёсткий, очень лёгкий | Оружие, звенья |
| Конструкционные пластмассы | Дешевый, гибкий, теплоизолирующий | Корпуса, крышки |
Алюминиевые сплавы идеально подходят для многих компонентов носимых роботов. Они быстро обрабатываются и устойчивы к коррозии. Титан стоит дороже, но его соотношение прочности и веса окупается в шарнирах, подверженных высоким нагрузкам. Композиты из углеродного волокна обеспечивают исключительную жесткость при малом весе, что важно для звеньев манипулятора, которые двигаются весь день. Инженерные пластмассы дополняют список материалов для корпусов и не несущих нагрузку деталей.
Выбор правильных материалов — это балансирование между двумя крайностями. Более тяжёлый каркас кажется прочным, но утомляет пользователя. Более лёгкий может прогибаться под нагрузкой. Правильные производственные решения на этом этапе определяют, будет ли конечное носимое устройство восприниматься как инструмент или как обуза.
Системы управления в носимых роботизированных компонентах
Мозг робота
Система управления работает как мозг носимого робота. Она получает данные от всех датчиков, определяет, что делать дальше, и дает команды исполнительным механизмам. Этот цикл повторяется много раз в секунду. Если он слишком медленный, робот будет казаться пользователю дергающимся.
Система состоит из четырех основных частей. Контроллер — это процессор, управляющий логикой. Блок управления содержит силовую электронику и средства обработки сигналов. Программное обеспечение сообщает аппаратному обеспечению, каким правилам следует следовать. Интерфейсы устройств ввода соединяют кнопки, джойстики или приложения для телефонов с основной платой. Вместе эти части преобразуют необработанные сигналы в плавное и безопасное движение.
Оборудование для управления производством
Изготовление платы управления начинается с производства печатной платы. Медные линии вытравливаются на плате из стекловолокна. Затем плата переходит к поверхностному монтажу (SMT). С помощью оборудования на плату устанавливаются крошечные микросхемы, а пайка оплавлением фиксирует их на месте.
Технология поверхностного монтажа (SMT) очень важна для гибких схем в мягких роботах. Меньшее количество сквозных отверстий и паяных соединений означает меньшее количество точек, которые могут выйти из строя.
Кроме того, меньшее количество сквозных отверстий и паяных соединений делает робота более надежным. Чем меньше точек соединения, тем меньше мест, где могут возникнуть неполадки. Это означает, что роботизированные системы могут работать дольше без необходимости ремонта.
После сборки устанавливаются микроконтроллеры и микросхемы. Затем плата герметизируется в корпус, чтобы защитить её от пыли, пота и ударов. На этом этапе определяется, сможет ли электроника выдерживать ежедневное использование.
Программное обеспечение и прошивка
Встроенная прошивка — это код, хранящийся в микроконтроллере. Она отвечает за интеграцию датчиков, собирая данные с инерциальных измерительных блоков (IMU), датчиков силы и энкодеров в единый поток. Объединение данных с датчиков позволяет получить единую, четкую картину движения пользователя.
Затем алгоритмы управления в реальном времени используют эту информацию. Они определяют, какой крутящий момент должен обеспечивать каждый исполнительный механизм. Контур управления должен завершаться быстро, иначе робот отстанет от пользователя. Хорошее программное обеспечение также обеспечивает проверки безопасности, например, отключение питания при возникновении проблемы.
С практической точки зрения, программное и аппаратное обеспечение должны работать вместе. Отличная плата с плохой прошивкой всё равно будет казаться неисправной. Инженеры тестируют обе части как единую систему, прежде чем выпустить в продажу любого носимого робота.
Технологические процессы обработки компонентов носимых роботов
Субтрактивное производство
Методы вычитания удаляют материал из твердого блока до получения окончательной формы. В этой группе методов лучшим выбором является обработка на станках с ЧПУ. Вращающийся инструмент обрабатывает металл с высокой точностью, а 5-осевые станки позволяют достигать углов, недоступных для 3-осевых установок. Для алюминиевых экзоскелетных соединений 5-осевая обработка на станках с ЧПУ обеспечивает чистоту поверхности Ra 0.2 мкм. Стандартная обработка алюминиевых сплавов обычно достигает Ra 0.8 мкм. Этот зазор имеет значение, когда детали скользят друг относительно друга или несут большие нагрузки.
Лазерная и гидроабразивная резка используются для обработки плоских заготовок и листовых деталей. Каждый метод имеет свои недостатки при работе с компонентами носимых роботов. Сравните их применение для углеродных композитов:
| Атрибут | Лазерная резка | Гидроабразивная резка |
| Ширина пропила | Узкий пропил | Более широкий пропил, чем у лазера. |
| Качество кромки | Чёткий, прямой край; небольшая зона термического воздействия. | Гладкий сатинированный край; зона без термического воздействия. |
| Пригодность углеродного волокна | Не рекомендуется — токсичные пары | Рекомендуется — холодная эрозия сохраняет структуру неповрежденной. |
Лазерная резка обеспечивает непревзойденную точность при обработке тонких листов углеродного волокна толщиной менее 5 мм. Бесконтактный процесс исключает износ инструмента. Однако существует риск термического повреждения. Неправильные настройки могут ослабить связи между смолами. Водоструйная резка отлично подходит для толстых листов углеродного волокна толщиной более 10 мм без тепловой деформации. Абразивный поток идеально справляется со слоистыми композитами. Недостатками являются более низкая скорость и более высокие затраты на техническое обслуживание из-за износа сопла. Тонкие листы обрабатываются лазером. Толстые пластины — водоструйной резкой. Простые формы обрабатываются обоими методами. Для трехмерных кривых требуется ЧПУ.
Производство добавок
3D-печать создает детали слой за слоем из цифровых файлов. Этот процесс отлично подходит для прототипирования и изготовления деталей на заказ. FDM-печать проталкивает расплавленный пластик через сопло. Это дешево и быстро, что подходит для ранних проверок конструкции. SLA-печать использует лазер для отверждения жидкой смолы. Она позволяет создавать более гладкие поверхности и более мелкие детали. SLS-печать сплавляет порошок с помощью лазера, создавая прочные детали без опорных конструкций.
В случае компонентов носимых роботов аддитивное производство значительно сокращает сроки выполнения заказов. Изготовление индивидуального протезного гнезда, на которое раньше уходили недели, теперь можно напечатать за несколько дней. Инженеры быстрее внедряют изменения, поскольку получают физические детали на более ранних этапах. Используемые материалы варьируются от обычного PLA до инженерного нейлона и нитей, армированных углеродным волокном. Каждый вариант по-своему обеспечивает баланс прочности, веса и стоимости.
Процессы формирования и соединения
Формовочные методы придают материалу форму без его вырезания. При литье под давлением расплавленный пластик вдавливается в стальную форму. Пластик остывает и извлекается в виде готовой оболочки. Этот процесс подходит для крупносерийного производства корпусов и крышек. Термоформование нагревает пластиковый лист до размягчения, а затем натягивает его на форму. Он хорошо подходит для больших и тонких деталей, таких как корпуса шлемов или кузовные панели.
Процессы соединения позволяют скрепить отдельные детали. Сварка сплавляет металлические детали с помощью тепла или давления. Клеевое соединение использует химические связи для соединения поверхностей. Клеи равномерно распределяют напряжение и эффективны для разнородных материалов. Углеродный манипулятор, соединенный с алюминиевым кронштейном, выигрывает от такого подхода. Правильный метод соединения зависит от типа нагрузки, пары материалов и воздействия окружающей среды. С практической точки зрения, оптимальный производственный процесс для компонентов носимых роботов часто сочетает в себе несколько методов в одной сборке.
Вопросы проектирования компонентов носимых роботов.
Вес, комфорт и эргономика
Носимый робот, который весит слишком много, никому не поможет. Люди просто перестанут его носить. Каждый грамм имеет значение в течение восьмичасовой смены. Инженеры выбирают легкие материалы, такие как алюминий и углеродное волокно. Они удаляют материал там, где он не нужен. Комфорт зависит от того, как устройство прилегает к телу. Ремешки должны быть мягкими. Шарниры должны соответствовать естественным движениям человека. Неправильная посадка вызывает натирание и боль.
Эргономические стандарты помогают правильно подобрать размер. Стандарт ISO 11228 устанавливает правила подъема и переноски грузов. Он указывает разработчикам, какой вес является безопасным и какие положения рук являются оптимальными. Например, он рекомендует крепкий хват с нейтральным положением запястья и предостерегает от экстремальных углов. Это напрямую влияет на конструкцию опор для рук экзоскелета. Другой стандарт, ISO 11226, охватывает статические рабочие позы. Он устанавливает правила для конструкций, в которых рабочие находятся в неподвижном положении в течение длительного времени. Для экзоскелетов на запястьях, используемых на заводах, эти правила, касающиеся ручной погрузки и статической позы, являются наиболее полезными рекомендациями.
Эти правила помогают инженерам решить, где следует добавить опору, а где оставить движение свободным. Хорошая конструкция позволяет роботу естественно сгибаться, пока он несет нагрузку.
Долговечность и безопасность
Детали робота подвергаются воздействию пота, пыли и многократным нагрузкам. Кронштейн, треснувший через неделю, бесполезен. Долговечность начинается с выбора правильного материала. Металлы должны быть устойчивы к ржавчине. Пластик должен выдерживать удары. Управление температурой также имеет значение. Двигатели нагреваются во время работы. Если происходит перегрев, детали выходят из строя или пользователь получает ожоги. Конструкторы добавляют вентиляционные отверстия или радиаторы для снижения температуры.
Стандарты безопасности устанавливают планку того, что считается приемлемым. ISO 13482 охватывает роботов для ухода за больными. Он включает в себя мобильных роботов-слуг, роботов-физических помощников (включая экзоскелеты) и роботов-носителей людей. Для экзоскелетов стандарт требует наличия определенных характеристик, которые делятся на три категории:
- В основе конструкции лежит безопасная механическая защита — защита от защемления, податливость поверхности и стабильность.
- Функциональная безопасность и управление — аварийная остановка, регулирование скорости, ограничение силы/крутящего момента и мониторинг окружающей среды.
- Предсказуемое, контролируемое поведение — четкие сигналы о намерениях, доступная экстренная остановка и плавное снижение скорости.
Эти требования заставляют разработчиков задумываться о том, что может пойти не так. Датчик выходит из строя. Батарея разряжается во время подъема. Робот должен безопасно выйти из строя. Соответствие этим стандартам открывает рынки и укрепляет доверие.
Разработка с целью снижения травматизма
Главная цель экзоскелета — снижение травматизма. На заводах рабочие получают травмы спины из-за подъема тяжестей. Экзоскелеты поддерживают позвоночник и берут на себя часть нагрузки. На строительных площадках работа над головой создает нагрузку на плечи. Опоры для рук удерживают вес. Перераспределяя нагрузку с тела пользователя, эти устройства предотвращают повреждение мышц и костей еще до его начала.
Медицинские устройства работают по тому же принципу. Реабилитационный экзоскелет помогает пациентам после инсульта снова ходить. Но он также должен защищать их от падений. Датчики определяют, когда пациент находится в нестабильном положении. Система управления отключает питание или регулирует поддержку. Конструкторы добавляют мягкие накладки в местах контакта. Они формируют каркас таким образом, чтобы избежать нагрузки на кости. Каждая деталь направлена на исцеление, а не на причинение вреда.
Хороший дизайн не просто поддерживает пользователя. Он активно защищает его. Хорошо подобранное устройство ощущается естественно. Вы двигаетесь свободно, а робот помогает, не мешая. Плохой дизайн создает новые риски, такие как защемление или перегрев. Именно поэтому стандарты важны, а тестирование имеет решающее значение. Когда инженеры все делают правильно, эти машины делают опасные работы безопаснее и помогают людям быстрее восстанавливаться после травм.
Материалы для носимых компонентов роботов
Металлы и сплавы
В большинстве компонентов носимых роботов основную нагрузку выполняют металлы. Алюминиевые сплавы — оптимальный выбор для каркасов и кронштейнов. Они легкие, прочные и легко поддаются механической обработке. Титан стоит дороже, но его высокое соотношение прочности к весу делает его идеальным для несущих соединений. Завершает список нержавеющая сталь. Она устойчива к коррозии и выдерживает высокие нагрузки, что подходит для конструкционных штифтов и крепежных элементов.
Выбор подходящего металла зависит от задачи. Каркас экзоскелета тазобедренного сустава должен быть жестким, но не слишком тяжелым. Алюминий отлично справляется с этой задачей. Для коленного сустава, подвергающегося многократным ударам, может потребоваться титан. Нержавеющая сталь подходит для деталей, подверженных воздействию пота и погодных условий. Каждый металл имеет свой баланс веса, прочности и стоимости.
Полимеры и композиты
Пластмассы и композитные материалы используются для всего, от корпусов до рычагов подвески. ABS — это универсальный конструкционный пластик. Он обладает хорошей ударопрочностью, легко формуется и хорошо поддается покраске и отделке. Это делает его стандартным материалом для корпусов бытовой электроники и корпусов оборудования. Поликарбонат (PC) обеспечивает еще более высокую ударопрочность. Кроме того, в натуральном виде он обеспечивает стабильность размеров и оптическую прозрачность. Для использования на открытом воздухе доступны УФ-стойкие марки.
| пластик | Ударопрочность |
| ABS | Высокий |
| Поликарбонат (ПК): | Очень высоко |
Композиты на основе поликарбоната и АБС-пластика обеспечивают улучшенную ударопрочность и упрощают обработку по сравнению с неармированным поликарбонатом. Для изнашиваемых компонентов роботов это важно, когда защитные покрытия должны выдерживать падения и ежедневный износ. Композиты из углеродного волокна обеспечивают исключительную жесткость при малом весе. Стекловолокно стоит дешевле и при этом обеспечивает дополнительную прочность. Нейлон подходит для шестерен и изнашиваемых деталей. Эти материалы позволяют инженерам снизить вес без ущерба для долговечности.
Умные и функциональные материалы
«Умные» материалы меняют форму или свойства при воздействии внешних факторов. Сплавы с эффектом памяти формы возвращаются в исходное состояние при нагревании. Это делает их полезными для компактных актуаторов. Пьезоэлектрические материалы генерируют заряд при сжатии. Они также могут изменять форму при подаче напряжения. Эти материалы обеспечивают работу датчиков и перемещение в ограниченном пространстве.
Проводящие текстильные материалы оживляют мягкую робототехнику. Они передают сигналы и энергию через ткань. Это позволяет мягкой робототехнике изгибаться и растягиваться вместе с телом. Мягкая робототехника зависит от этих гибких материалов для комфортного ношения. Мягкая робототехника также использует их для измерения давления. Преимущества мягкой робототехники заключаются в использовании тканей, которые проводят ток, не будучи жесткими на ощупь. Мягкая робототехника продолжает внедрять новые интеллектуальные материалы каждый год. Исследователи в области мягкой робототехники тестируют проводящие текстильные материалы на предмет мышечно-подобного действия. Мягкая робототехника может однажды заменить жесткие детали во многих носимых устройствах. Мягкая робототехника уже используется в реабилитационных перчатках и вспомогательных костюмах. Мягкая робототехника представляет собой серьезный сдвиг в том, как инженеры создают дружественные человеку машины.
Применение носимых роботизированных компонентов
Промышленные и производственные приложения
В настоящее время на заводах ежедневно используются компоненты носимых роботов. Рабочие надевают экзоскелеты перед началом длительной смены на сборочной линии. Эти устройства поддерживают спину, плечи и ноги во время выполнения повторяющихся задач. Промышленный носимый робот не заменяет рабочего. Он помогает переносить физическую нагрузку.
Автомобильные компании начали использовать их довольно рано. Рабочие сборочных цехов, которые часами поднимают руки над головой, используют экзоскелеты с поддержкой для рук. Устройство удерживает вес инструмента, позволяя мышцам плеч отдохнуть. Рабочие логистики, которые весь день поднимают коробки, носят костюмы с поддержкой спины. Эти устройства снижают усталость и повышают эффективность работы во время смены. Те же самые детали используются в строительстве, сельском хозяйстве и складском хозяйстве. Для каждой области применения требуется различное сочетание датчиков, исполнительных механизмов и каркасов.
Медицинские и реабилитационные приложения
Врачи и терапевты эффективно используют носимые роботизированные компоненты. Медицинский носимый робот помогает пациентам снова ходить после инсульта или травмы спинного мозга. Экзоскелеты с электроприводом направляют ноги, имитируя естественную походку. Такие реабилитационные устройства позволяют терапевтам сосредоточиться на прогрессе, а не на поддержке пациента. Протезы конечностей с электроприводными суставами восстанавливают способность держать равновесие и помогают людям с ампутациями. Хирургические роботы также используют те же сенсорные и исполнительные технологии.
Результаты клинических исследований подтверждают это. В одном исследовании после инсульта у 7 из 9 пациентов, использовавших экзоскелет, улучшилась походка. Они достигли уровня от 2 до 4 по результатам теста на ходьбу. В то же время 6 из 8 пациентов, не использовавших экзоскелет, оставались на самом низком уровне (от 0 до 1). Показатели качества жизни были значительно выше в группе с экзоскелетом: средний балл составил 0.767 по сравнению с 0.434 в другой группе. Серьезных негативных событий не произошло.
Пользователи оценили безопасность и комфорт на средний балл 4.5 из 5. Некоторые по-прежнему жаловались на вес и срок службы. Эта обратная связь побуждает инженеров постоянно совершенствовать каждую деталь.
Приложения, повышающие безопасность труда
Главное преимущество этих машин — повышение безопасности работников. Травмы спины, растяжения плеч и износ суставов являются распространенной проблемой на физически тяжелых работах. Травмы мышц и костей обходятся компаниям в миллиарды долларов ежегодно из-за потери рабочего времени. Носимые детали роботов перераспределяют нагрузку с тела на раму. Это простое изменение предотвращает повреждения еще до их начала.
Правильная поддержка осанки имеет первостепенное значение при многократном подъеме тяжестей. Экзоскелет поддерживает позвоночник в безопасном положении и распределяет нагрузку. Работники дольше остаются продуктивными и возвращаются домой без боли. С практической точки зрения, безопасность и производительность здесь не противоположны, а развиваются вместе. Мягкая робототехника добавляет еще один уровень, делая эти костюмы легче и удобнее. Мягкая робототехника позволяет устройству изгибаться вместе с телом, а не сопротивляться ему. Расширение областей применения в здравоохранении, хранении и производстве продолжает расти по мере совершенствования технологий.
NOBLE: Создание носимых компонентов для роботов
Навыки в обработке металла и пластмасс.
Компания NOBLE известна своей работой с металлом и пластиком, и эта специализация хорошо подходит для изготовления деталей для носимых роботов. Рамы, кронштейны и корпуса шарниров должны всегда иметь точные размеры и гладкую поверхность. Компания занимается обработкой на станках с ЧПУ, листовым металлом и литьем под давлением — все в одном месте. Это позволяет изготавливать алюминиевые рамы, титановые шарниры и пластиковые крышки, не передавая заказы в другие цеха.
Использование одного партнера как для металлических, так и для пластиковых деталей экономит время. Если конструкция кронштейна меняется, вам не нужно искать нового поставщика. Инженеры вносят изменения в CAD-файл, и цех изготавливает новую версию. Для носимых устройств, проходящих множество испытаний, такая скорость очень важна.
Сертификаты и качество
Системы контроля качества показывают, какие производители относятся к своему делу серьезно, а какие нет. Компания NOBLE имеет сертификаты ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016. Второй сертификат особенно важен для любого производителя медицинской продукции.
Сертификация ISO 13485 свидетельствует о приверженности высочайшим стандартам качества, безопасности и соблюдению законодательства в производстве медицинских изделий.
Эта приверженность приносит реальные результаты. Сертифицированные поставщики часто получают:
- Получение одобрения крупных компаний-производителей медицинского оборудования в качестве надежного поставщика.
- Более высокие цены, потому что покупателям требуется меньше усилий для их проверки.
- Благодаря сертификации ISO, отвечающей многим требованиям проверки, количество клиентских аудитов сократилось.
- Ускоренная регистрация новых клиентов, приобретающих медицинское оборудование.
Один из контрактных производителей стерильных изделий получил сертификат ISO 13485 и сократил время утверждения заказчиком с 12 месяцев до 4 месяцев. Количество аудиторских проверок сократилось с четырех раз в год до одного раза в год. Стоимость контрактов выросла на 25% благодаря улучшению позиционирования, и компания вышла на европейские рынки, которые ранее казались закрытыми. Эти результаты показывают, чего может добиться сильная система качества для программы создания носимых роботов.
Полный спектр услуг от проектирования до сборки.
Компания NOBLE занимается не только управлением станками. Команда оказывает поддержку на всех этапах — от проектирования до сборки. Все начинается с обратной связи по проекту с учетом технологичности производства. Инженеры указывают на особенности, которые будет сложно обработать или отлить, еще до того, как будут изготовлены инструменты. Затем следуют тестовые модели, потом производственные инструменты, а затем окончательная сборка и тестирование.
Такой комплексный подход подходит для носимых роботизированных компонентов, поскольку эти компоненты работают вместе. Крепление датчика должно совпадать с рамой. Корпус должен оставлять место для привода. Когда одна команда выполняет каждый этап, эти соединения проверяются на раннем этапе. Читатели, у которых есть проект, могут связаться с NOBLE и начать обсуждение.
Для создания носимого робота необходимы пять основных компонентов: датчики, исполнительные механизмы, конструктивные элементы, источники питания и системы управления. Фотолитография используется для создания миниатюрных MEMS-датчиков. Исполнительные механизмы изготавливаются методом намотки катушек и на станках с ЧПУ. На станках с ЧПУ также формируется каркас. Корпуса изготавливаются методом литья под давлением. Платы управления собираются методом сборки печатных плат. Питание всего устройства обеспечивается за счет производства батарей. Такие материалы, как углеродное волокно, позволяют снизить вес без потери прочности. Грамотная конструкция помогает снизить травматизм и обеспечивает безопасность работников во время длительных смен. Передовые технологии производства с каждым годом продвигают носимую робототехнику вперед, предлагая лучшие материалы и методы. Если у вас есть проект по созданию носимого робота, компания NOBLE предлагает полную поддержку от проектирования до сборки.
Часто задаваемые вопросы о компонентах носимых роботов
Какие основные компоненты используются в носимых роботах?
Практически каждое устройство подразделяется на пять основных категорий: датчики, исполнительные механизмы, конструктивные элементы, источники питания и системы управления. Датчики считывают движение и силу. Исполнительные механизмы создают движение. Конструкционные элементы удерживают все вместе. Источники питания обеспечивают работу электроники. Системы управления связывают все воедино и определяют дальнейшие действия.
Какой производственный процесс используется для изготовления каждого компонента?
Для каждого компонента носимого робота используется свой технологический процесс. Микросенсоры изготавливаются с помощью фотолитографии и MEMS-технологий. Исполнительные механизмы формируются на станках с ЧПУ и методом намотки катушек. Каркасы и корпуса изготавливаются методом обработки листового металла и литья под давлением. Платы управления изготавливаются методом сборки печатных плат. Источники питания производятся из батарейных элементов.
Почему датчики так важны в носимом роботе?
Датчики сообщают роботу о движениях вашего тела. Инерциальный измерительный блок (IMU) отслеживает углы суставов. Чувствительный к силе резистор измеряет силу захвата. Датчик ЭМГ считывает сигналы мышц. Если показания датчиков неверны, устройство будет сопротивляться вам, а не помогать. Время отклика также имеет значение — для естественного управления протезом необходимы показания менее 300 мс.
В чём разница между жёсткими и мягкими актуаторами?
Жесткие актуаторы используют двигатели, шестерни и трансмиссии. Они обеспечивают высокую силу и точное управление. Мягкие актуаторы используют давление воздуха, ткань и гибкие материалы. Они изгибаются вместе с телом и лучше поглощают удары. Компромисс заключается в меньшей выходной силе, и им часто требуются насосы или пневматические линии.
Какие материалы лучше всего подходят для изготовления конструкционных элементов?
Всё зависит от задачи. Алюминиевые сплавы лёгкие и легко поддаются механической обработке, поэтому подходят для рам и кронштейнов. Титан обладает высоким соотношением прочности к весу для несущих соединений. Композиты из углеродного волокна сохраняют жёсткость при малом весе. Конструкционные пластмассы позволяют изготавливать корпуса и крышки с низкими затратами.
Должны ли носимые роботы соответствовать стандартам безопасности?
Да, и правила зависят от области применения. Стандарт ISO 13482 охватывает роботов для ухода за собой, включая экзоскелеты. Он требует защиты от защемления, аварийных остановок и ограничений по усилию. Стандарты ISO 11228 и ISO 11226 определяют принципы эргономичного проектирования для подъема и статических поз. Соответствие этим стандартам укрепляет доверие и открывает новые рынки.
Может ли 3D-печать заменить обработку на станках с ЧПУ для изготовления этих деталей?
Не совсем. Аддитивное производство отлично подходит для прототипирования и изготовления изделий на заказ. Изготовление протезного гнезда на заказ, на которое раньше уходили недели, теперь можно напечатать за несколько дней. Но для серийного производства каркасов и шарниров по-прежнему необходима обработка на станках с ЧПУ для обеспечения высокой точности и гладких поверхностей. В большинстве случаев используются оба метода, а также литье под давлением для крупносерийного производства корпусов.
Как выбрать производственного партнера?
Ищите компании, которые занимаются обработкой металла и пластика под одной крышей, поскольку рамы, соединения и корпуса идеально подходят друг к другу. Проверьте наличие сертификатов качества — ISO 9001:2015 охватывает общие аспекты качества, а ISO 13485:2016 важен для медицинских изделий. Партнер, который занимается обратной связью по проекту, прототипированием и окончательной сборкой, экономит время и выявляет проблемы с подгонкой на ранней стадии.
