Корпус экзоскелета обычно состоит из нескольких основных частей: основной оболочки, опор подшипников, креплений приводов и двигателей, кронштейнов датчиков, уплотнительных и фиксирующих элементов, а также крепежных элементов. Эта внешняя рама удерживает приводы, двигатели и системы передачи, а также обеспечивает передачу нагрузки и управление движением. Ожидается, что мировой рынок экзоскелетов вырастет с 850 миллионов долларов в 2025 году до 2.2 миллиарда долларов к 2030 году, поэтому точность и материалы этих деталей напрямую влияют на производительность. Производственный процесс, требования к точности и выбор материалов для каждого компонента имеют решающее значение для достижения надежности и долговечности, необходимых в современных экзоскелетах. Понимание этих факторов является ключом к созданию эффективных суставов.
Основной корпус в экзоскелетном соединительном корпусе
Основной корпус является главной несущей конструкцией шарнирного соединения экзоскелета. Он охватывает привод, двигатель и систему трансмиссии, поэтому принимает на себя основную нагрузку, возникающую в шарнире. Представьте его как скелет скелета. Если этот корпус изгибается или деформируется, весь шарнир теряет соосность, и изнашивающиеся детали внутри расплачиваются за это.
Технологические процессы изготовления основного корпуса
Обработка на станках с ЧПУ из заготовки
Обработка на станках с ЧПУ из цельной заготовки — лучший выбор для высокоточных корпусов. Цельный блок алюминия AL6061-T6 обрабатывается до получения окончательной формы. Этот сплав часто используется в корпусах экзоскелетов, поскольку он хорошо поддается обработке и обеспечивает жесткие допуски. Технологический процесс обычно следует определенной последовательности:
- Выберите материал — алюминий AL6061-T6 часто используется в качестве исходного материала для корпусов экзоскелетов.
- Контролируйте допуски размеров во время обработки, особенно в точках крепления и сопряжения с другими модулями, чтобы все детали совпадали при сборке.
- Сохранение структурной целостности в тонкостенных участках и сложных элементах конструкции предотвращает деформацию или ослабление.
- Завершите обработку поверхности — сначала очистите деталь, затем проведите пескоструйную обработку и анодирование. Пескоструйная обработка удаляет следы от инструмента и ступенчатые дефекты, обеспечивая матовый, однородный вид. Анодирование повышает коррозионную стойкость, создает твердую, устойчивую к царапинам поверхность и улучшает внешний вид.
Литье под давлением и литье по выплавляемым моделям
Для изготовления основного корпуса также используются литье под давлением и литье по выплавляемым моделям. Литье под давлением хорошо подходит для больших объемов производства, где важна стоимость детали. Литье по выплавляемым моделям позволяет обрабатывать сложную внутреннюю геометрию. Оба метода сокращают время механической обработки, но при этом несколько снижают точность по сравнению с обработкой заготовок.
Аддитивное производство для прототипов
Аддитивное производство, или 3D-печать, особенно эффективно при прототипировании. Печать позволяет инженерам проверять соответствие размеров и формы, прежде чем приступать к изготовлению оснастки. Можно напечатать оболочку за ночь, прикрепить её к испытательному стенду и к утру получить какие-то результаты. Компромисс очевиден: печать обеспечивает скорость и свободу в выборе геометрии, но механические свойства напечатанных деталей обычно уступают свойствам кованого металла.
Требования к точности основного корпуса
Размерные и геометрические допуски
Точность начинается с точек сопряжения. Отверстия для болтов, отверстия для подшипников и сопрягаемые поверхности модулей требуют строгого контроля. Неточность в одном месте сопряжения распространяется на всю сборку. Геометрические допуски охватывают плоскостность, перпендикулярность и положение, и эти параметры предотвращают деформацию корпуса.
Характеристики отделки поверхности
Качество обработки поверхности влияет на усталостную прочность и герметичность. Шероховатые поверхности создают концентраторы напряжений, где начинаются трещины. Они также изнашивают уплотнительные кольца и прокладки. Пескоструйная обработка и анодирование улучшают поверхность, но базовый уровень качества по-прежнему определяется механической обработкой.
Материалы для основного корпуса
Выбор материала влияет на вес, стоимость и долговечность. Вот как сравниваются наиболее распространенные варианты:
| Материал | Ключевые характеристики | Типичные применения |
| Алюминиевый сплав | Экономичный, легко поддается обработке, обеспечивает хорошее качество поверхности, подходит для больших объемов производства. | Корпуса массового производства, компоненты, чувствительные к стоимости. |
| Титановые сплавы | Высокая термостойкость, биосовместимость, коррозионная стойкость | Коррозионные или высокотемпературные среды |
| Полимер, армированный углеродным волокном | Наилучшее соотношение прочности и веса, практически нулевое термическое расширение, высокая жесткость. | Корпуса прецизионных приборов, рамы для демонстрации характеристик. |
Алюминиевые сплавы 6061 и 7075
Алюминий 6061 и 7075 составляют основу большинства корпусов. Марка 6061 хорошо сваривается и обрабатывается механически. Марка 7075 обеспечивает большую прочность, но стоит дороже и плохо поддается обработке режущим инструментом. Для экономичного крупносерийного производства алюминий является предпочтительным вариантом.
Титановый сплав Ti-6Al-4V
Сплав Ti-6Al-4V выдерживает высокие температуры и коррозию, чего не может алюминий. Он также обладает биосовместимостью, что важно для медицинских экзоскелетов. Недостатком является цена и сложность обработки.
Полимеры, армированные углеродным волокном
Углеродный композит (CFRP) обеспечивает наилучшее соотношение прочности и веса среди всех материалов группы. Он также обладает практически нулевым коэффициентом теплового расширения и высокой жесткостью. Именно по этим причинам его используют в корпусах для прецизионных оптических и измерительных приборов. Первоначальная стоимость у него самая высокая, хотя затраты на техническое обслуживание остаются низкими.
Универсального материала, подходящего для всех случаев, не существует. Правильный выбор зависит от условий эксплуатации, объёма производства и бюджета. Инженеры часто проводят анализ методом конечных элементов (МКЭ) для сравнения траекторий напряжений в различных вариантах конструкции, а также для проверки соответствия оболочки целевым показателям прочности до начала резки металла. Более лёгкие материалы, такие как ABS, чаще используются в прототипах кронштейнов, чем в несущих оболочках, поскольку их прочность не может сравниться с металлом. С практической точки зрения, способ производства и выбор материала неразрывно связаны — одно от другого неотделимо.
Опорные посадочные места и отверстия подшипников в корпусе экзоскелета
В центре каждого корпуса экзоскелета находятся посадочные места и отверстия подшипников. В них удерживаются подшипники, обеспечивающие плавное вращение сустава. Если эти посадочные места неправильные, сустав теряет энергию и быстро изнашивается. Плотность посадки между отверстием и подшипником влияет на эффективность и износостойкость сустава. Свободное отверстие позволяет подшипнику вращаться на месте. Плотное отверстие сдавливает обойму подшипника. В любом случае, сустав выходит из строя.
Технологические процессы производства подшипниковых седл
Точное расточка и развертывание
Прецизионная расточка позволяет получить отверстие нужного размера. Внутри отверстия вращается одноточечный инструмент, снимая материал. Оператор может регулировать глубину резания с небольшими шагами. Такой контроль делает расточку идеальной для работы с жесткими допусками. После расточки выполняется развертывание, когда отверстие требует более гладкой поверхности. Многолезвийный развертка удаляет тонкий слой материала, оставляя чистое, круглое отверстие. Вместе эти два этапа создают основу для правильной посадки подшипника.
Шлифование и хонингование
Шлифовка вступает в действие, когда отверстие требует еще более тонкой обработки. Абразивный круг вращается по поверхности отверстия и удаляет небольшое количество материала. В результате получается очень гладкая поверхность с точным контролем размеров. Хонингование идет еще дальше. Хонинговальный инструмент использует абразивные камни для полировки отверстия и исправления небольших дефектов формы. Этот процесс улучшает округлость и прямолинейность. Для корпуса экзоскелета, который постоянно находится в движении, эти этапы имеют значение. Они уменьшают трение и продлевают срок службы подшипников.
Требования к точности подшипниковых опор
Диаметр отверстия и округлость
Допуск на диаметр отверстия определяет, насколько плотно подшипник сидит в корпусе. Слишком большой зазор – и подшипник будет дребезжать. Слишком маленький – и он будет заедать. Круглость предотвращает деформацию обоймы подшипника под нагрузкой. Некруглое отверстие сжимает подшипник в определенных точках. Это неравномерное давление приводит к преждевременному выходу из строя. Здесь требуется одна из самых высоких точности во всем корпусе.
Соосность и перпендикулярность
Соосность обеспечивает нахождение двух или более отверстий относительно одной центральной оси. В соединении с подшипниками с обеих сторон несоосность приводит к изгибу вала. Этот изгиб неравномерно нагружает подшипники. Перпендикулярность обеспечивает перпендикулярность отверстия к монтажной поверхности. Если отверстие наклоняется, подшипник воспринимает осевую нагрузку, на которую он не рассчитан. Оба параметра защищают подшипник и вал. Они также обеспечивают правильную работу соединения на протяжении тысяч циклов.
Материалы для опор подшипников
Выбор материала для посадочных мест подшипников зависит от нагрузки, скорости и смазки. Вот как различаются распространенные варианты:
| Материал | Особенности | Максимальная рабочая температура |
| Девственный ПТФЭ | Высокая химическая стойкость и эффективность работы. | 200 ℃ |
| HYPATITE® PTFE | Более низкая проницаемость мономеров и более высокая устойчивость к сжатию и ползучести по сравнению с другими материалами на основе ПТФЭ. | 260 ℃ / 270 ℃ |
| Наполненный углеродом ПТФЭ | Превосходная термостойкость и износостойкость | 260 ℃ / 270 ℃ |
| FILLTITE® | Наивысшая термостойкость среди материалов на основе ПТФЭ. | 300 ℃ |
| Graphite | Отлично подходит для работы при высоких температурах. | 500 ℃ |
| Металл | Отлично подходит для работы при высоких температурах и в абразивных средах. | 500 ℃ / 525 ℃ |
| PEEK | Повышенная термостойкость и механическая прочность. | 270 ℃ |
| ПТФЭ, армированный стекловолокном и MoS2 | Повышенная износостойкость и эффективность работы. | 230 ℃ |
| Нейлон с MoS2 | Более высокая механическая прочность | 140 ℃ |
Вставки из закаленной стали
Вставки из закаленной стали выдерживают самые большие нагрузки. Они устойчивы к износу и сохраняют свою форму под давлением. При изготовлении посадочного места подшипника из закаленной стали отверстие остается точным даже после миллионов циклов. Эти вставки запрессовываются в корпус или прикручиваются болтами. Материал корпуса при этом может быть легче и дешевле. Такая разъемная конструкция позволяет снизить вес без ущерба для прочности.
Бронзовые и латунные сплавы
Бронзовые и латунные сплавы обладают хорошими подшипниковыми свойствами. Они хорошо подходят для работы в условиях подвижного контакта. Втулки, обоймы, износостойкие пластины и скользящие детали часто изготавливаются из этих марок стали. Бронза C93200 — распространенный выбор для таких работ. Она обладает хорошими подшипниковыми свойствами и хорошо справляется с подвижным контактом. Эти сплавы также лучше, чем сталь, противостоят коррозии в некоторых средах. Они стоят дешевле закаленной стали и легко поддаются механической обработке.
Инженерные пластмассы PEEK и PTFE
Полиэфирэфиркетон (PEEK) и его наполнители, особенно содержащие ПТФЭ, углеродное волокно или бронзу, обладают низким коэффициентом трения и хорошей износостойкостью. Им не требуется смазка, необходимая при контакте металла с металлом. Это делает PEEK распространенной заменой бронзы, латуни и закаленной стали во втулках, подшипниках, шестернях и износостойких пластинах. Он хорошо работает там, где смазка нецелесообразна, запрещена или представляет риск загрязнения. Компаунды PEEK подшипникового класса, наполненные ПТФЭ и графитом или углеродным волокном, работают всухую с металлическими валами. Их показатели трения и износа сопоставимы с бронзовыми втулками. Они также позволяют избежать коррозии бронзы и проблем с удержанием смазки в условиях мойки или воздействия химических веществ. Для корпусов экзоскелетных суставов, используемых в чистых помещениях или медицинских учреждениях, это имеет большое значение. Механические свойства PEEK хорошо сохраняются при многократных движениях. ПТФЭ обеспечивает еще более низкое трение, но меньшую прочность. Инженеры часто комбинируют эти два материала для достижения баланса в производительности.
С практической точки зрения, посадочное место подшипника определяет характеристики шарнира. Качественно изготовленное посадочное место из подходящего материала обеспечивает бесперебойную работу корпуса экзоскелетного шарнира в течение многих лет. Некачественное посадочное место выходит из строя преждевременно, и подшипник тоже выходит из строя. Подшипник внутри зависит от этого посадочного места для выравнивания и поддержки. Правильное отверстие — и подшипники выполняют свою работу. Неправильное — и никакая точность в других местах не спасет шарнир. Та же логика применима ко всем подшипникам в узле. Каждому из них необходимо посадочное место, соответствующее его допуску и профилю нагрузки. Именно поэтому работе с посадочными местами подшипников следует уделять столько же внимания, сколько и работе с основным корпусом.
Крепления привода и двигателя в корпусе сустава экзоскелета
В суставы экзоскелетов нижних конечностей устанавливаются различные типы двигателей внутри корпуса. Бескаркасные бесщеточные двигатели постоянного тока используются в локтевых, коленных и запястных суставах. Инженеры также используют двигатели с редукторами, двигатели с тросами Боудена, пневматические приводы и последовательные упругие приводы. Список дополняют высокомоментные планетарные редукторные двигатели, квазипрямые приводы и приводы с высоким передаточным отношением и гармоническими редукторами. Каждому типу привода требуется крепление, которое точно выравнивает ротор с трансмиссией. Невыровненное крепление приводит к потере мощности и быстрому износу деталей.
Технологические процессы производства креплений приводов
Фрезерование и сверление на станках с ЧПУ
Обработка пластин привода осуществляется на станках с ЧПУ. На станке с ЧПУ обрабатываются четыре отдельные пластины. Стальная муфта двигателя и редуктора обрабатывается на токарном станке, затем сверлится и зенкуется на фрезерном станке. Вал энкодера проходит те же этапы — токарная обработка, сверление на фрезерном станке. Муфты привода и рычагов изготавливаются из алюминия, обрабатываются на токарном станке и сверлятся на фрезерном станке. Эти операции контролируют совпадение отверстий для болтов с центром отверстия.
Изготовление и сварка листового металла
Использование листового металла снижает стоимость деталей рамы, не несущих больших нагрузок. Большинство деталей изготавливаются из тонкого алюминиевого листа. Работа сводится к резке или сверлению листа. Для критически важной детали вала энкодера лучше всего подходит токарный станок. Высокоточная 3D-печать также подходит для прототипов. Сварка соединяет детали в подрамник, который крепится болтами к корпусу.
Требования к точности крепления приводов
Допуск положения отверстия
Для крепления двигателя необходимо контролировать положение отверстий в схеме расположения болтов. Допуски на точное положение предотвращают смещение двигателя от центра. Проверка с помощью координатно-измерительной машины или штифтового контроля гарантирует совпадение отверстий. Успех сборки зависит от применения геометрических допусков и размеров (GD&T) к этим элементам. Всегда указывайте плоскостность, перпендикулярность и точное положение на чертежах крепления привода. Без этих указаний крепление будет вибрировать с первого дня.
Плоскостность и угловое выравнивание
Плоскость монтажной поверхности предотвращает наклон двигателя. Точность направляющего отверстия и расположение болтов проверяются по одной и той же базовой поверхности. Эта проверка позволяет выявить наклон до того, как двигатель будет прикручен болтами.
Одного лишь положения отверстия недостаточно для обеспечения угловой юстировки. Небольшая погрешность перпендикулярности у основания крепления перерастает в более значительное смещение на рабочей высоте двигателя. Перпендикулярность и допуски на истинное положение, привязанные к функциональным базовым точкам, обеспечивают точный контроль юстировки. Штифты или обработанные направляющие обеспечивают необходимую высокую точность. Отверстия с зазором не выдерживают динамических нагрузок от работающего двигателя.
Материалы для креплений приводов
Способ комплектации материалов зависит от груза, веса и условий окружающей среды.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь обеспечивает коррозионную стойкость и прочность. Она выдерживает более высокие нагрузки от мощных приводов. Компромисс заключается в весе. Для суставов нижних конечностей, где долговечность важнее веса, нержавеющая сталь подходит хорошо.
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы обеспечивают баланс между прочностью и весом. Они быстро обрабатываются и стоят дешевле, чем нержавеющая сталь. Для креплений, несущих умеренные нагрузки, алюминий является стандартом. Те же сплавы, что и в основном корпусе — 6061 и 7075 — подходят и здесь. Их свойства соответствуют диапазону нагрузок.
Стеклонаполненный нейлон
Наполненный стекловолокном нейлон обеспечивает хорошие механические свойства при меньшем весе, чем металл. Он выдерживает умеренные нагрузки и устойчив к ползучести при многократных нагрузках. Материал хорошо подходит для легких соединений, где важен каждый грамм. Литье под давлением ускоряет производство.
Точность обеспечивает целостность всей конструкции крепления. Двигатель, смещенный от центра, вибрирует, изнашивает подшипники и потребляет энергию. Крепление подвергается тем же нагрузкам, что и основной корпус: удерживать положение, противостоять нагрузкам, выдерживать тысячи циклов. В некоторых усовершенствованных конструкциях добавляются пластины, соединяющиеся с трансмиссией, что делает выравнивание крепления еще более важным. Крепление должно обеспечивать выравнивание осей двигателя и трансмиссии. Инженеры проводят анализ методом конечных элементов (МКЭ) конструкции крепления, чтобы проверить пути распределения напряжений и подтвердить жесткость. Прочность крепления зависит от материала, геометрии и того, как сварные швы или крепежные элементы соединяются с остальной частью узла. Эта несущая способность определяет, выдержит ли крепление пиковые нагрузки и тысячи циклов.
Кронштейны датчиков в корпусе сустава экзоскелета
Кронштейны датчиков и крепления энкодера внутри корпуса экзоскелета должны обладать высокой повторяемостью и термической стабильностью. Почему? Допуск при монтаже определяет, какая часть заданного разрешения энкодера останется пригодной для использования после установки. Если монтаж не обеспечивает повторяемость, биты с более низким разрешением могут стать нестабильными. Инженеры устраняют это с помощью прокладок, микровыравнивания, повторной калибровки или фильтрации. Термическая стабильность имеет не меньшее значение. Различные материалы расширяются с разной скоростью, поэтому измерительный объект, статор, корпус или вал могут смещаться относительно друг друга. Даже малейшее движение ухудшает качество сигнала. Эта проблема наиболее остро стоит в конструкциях энкодеров с полым валом, низким профилем или безрамных конструкциях, где соотношение ротор-статор зависит от механического пакета. Система, выровненная при комнатной температуре, может потерять правильную геометрию сигнала после термического расширения, изменения предварительной нагрузки подшипников или деформации конструкции.
Технологические процессы производства кронштейнов для датчиков
Обработка на станках с ЧПУ для мелких деталей
Обработка на станках с ЧПУ позволяет изготавливать мельчайшие детали, необходимые для кронштейнов датчиков. Для небольших углублений, пазов и монтажных отверстий требуются острые инструменты и точная обработка. Оператор станка может обеспечить надежное крепление этих деталей без использования специального инструмента. Для мелкосерийного и среднесерийного производства этот метод обеспечивает наилучшую точность. В качестве исходного материала часто используется алюминий, прошедший термообработку, поскольку он сохраняет стабильность после обработки.
Литье под давлением для крупносерийного производства
Литье под давлением становится предпочтительным методом при увеличении объемов производства. Стальная пресс-форма формирует кронштейн за один цикл, а время цикла сокращается до секунд. Компромисс заключается в первоначальных затратах на оснастку. Печать также подходит для прототипов, позволяя инженерам проверить соответствие размеров перед принятием решения о создании пресс-формы. При больших объемах производства литье под давлением выигрывает по стоимости детали.
Требования к точности кронштейнов для датчиков
Для обеспечения повторяемости результатов необходимо точно расположить монтажные отверстия. Ориентация датчика и плоскостность поверхности должны контролироваться с высокой точностью для поддержания качества сигнала. Повторяемость размеров гарантирует стабильность монтажа после снятия и повторной установки. Термостойкость обеспечивает правильное выравнивание датчика при нагреве соединения. Кронштейн, который увеличивается в размерах или деформируется под воздействием температуры, искажает показания. Выбор материала и геометрия играют здесь важную роль.
Материалы для кронштейнов датчиков
Выбор материала предполагает баланс между весом, прочностью и стоимостью. К распространенным вариантам относятся алюминий, прошедший термообработку для обеспечения точности и стабильности, а также другие металлы и полимеры для оптимизации веса. Для изготовления легких металлических деталей используются материалы для литья под давлением, такие как сплавы алюминия и магния. К материалам для литья под давлением относятся конструкционные пластмассы.
Алюминиевые и магниевые сплавы
Алюминиевые и магниевые сплавы обеспечивают хорошие механические свойства при малом весе. Магний легче, но легче подвергается коррозии. Алюминий обеспечивает лучшую балансировку для большинства брекетов.
АБС и поликарбонат
ABS и поликарбонат хорошо подходят для изготовления формованных кронштейнов. ABS обеспечивает хорошую ударопрочность при низкой стоимости. Поликарбонат добавляет прочности и прозрачности. Оба материала подходят для умеренных нагрузок.
PEEK для высоких температур
Полиэфирэфиркетон (PEEK) выдерживает высокие температуры, в отличие от других пластмасс. Он сохраняет свою прочность и жесткость при высокой температуре соединения. Стоимость выше, поэтому он подходит для сложных применений.
Герметизация и фиксация в корпусе сустава экзоскелета
Уплотнения и фиксаторы работают подобно иммунной системе корпуса экзоскелета. Они предотвращают попадание пыли, воды и грязи внутрь. Без них подшипники ржавеют, датчики теряют точность, а исполнительные механизмы преждевременно выходят из строя. Хорошее уплотнение также удерживает смазку на месте. Фиксирующие детали обеспечивают целостность всей конструкции. Они предотвращают выпадение уплотнений и смещение подшипников.
Технологические процессы производства уплотнений и фиксаторов
Уплотнения и фиксаторы изготавливаются методом литья или механической обработки, в зависимости от материала и объема производства. Для эластомерных уплотнений обычно используется компрессионное формование, а для стопорных колец — токарная обработка на станках с ЧПУ.
Компрессионное формование эластомерных уплотнений
Метод компрессионного формования позволяет формовать резиновые уплотнения с помощью тепла и давления. Резиновая деталь помещается в нагретую форму. Форма закрывается, и резина растекается, заполняя образовавшуюся форму. После затвердевания уплотнение приобретает нужную форму. Этот процесс подходит для уплотнительных колец, прокладок и нестандартных манжетных уплотнений. Он хорошо справляется с большими объемами производства и позволяет поддерживать разумные затраты на оснастку.
Токарная обработка на станках с ЧПУ для изготовления стопорных колец.
Токарная обработка на станках с ЧПУ позволяет изготавливать стопорные кольца из металла или пластика. Токарный станок за один этап вырезает форму кольца, пазы и кромки. Для стопорных и спиральных колец токарная обработка создает основную форму. Дополнительные этапы включают вырезание зазора или паза. Токарная обработка обеспечивает точный контроль толщины и диаметра кольца. Этот контроль важен, когда кольцо защелкивается в паз с необходимой силой.
Требования к точности уплотнений и фиксаторов
Размеры канавки и качество обработки поверхности.
Размеры канавки определяют эффективность уплотнения. Слишком глубокая канавка позволяет уплотнению смещаться. Слишком мелкая канавка слишком сильно сжимает уплотнение. Обе проблемы приводят к протечкам. Качество обработки поверхности внутри канавки также имеет значение. Шероховатая канавка повреждает кромку уплотнения во время установки. Гладкая канавка позволяет уплотнению легко встать на место без повреждений. Та же логика применима и к канавкам стопорного кольца. Шероховатая канавка может вызвать напряжение, которое приведет к растрескиванию кольца.
Допуски на посадку с натягом
Фиксаторы и уплотнения удерживаются на месте без винтов или болтов. Внешняя часть немного больше внутренней. Прижимая их друг к другу, они обеспечивают надежное сцепление. Слишком сильное натяжение приводит к растрескиванию корпуса. Слишком слабое — к выпадению детали. Инженеры рассчитывают оптимальное натяжение, исходя из материалов и нагрузки. Для корпуса сустава экзоскелета вибрация делает такое натяжение еще более важным. Неплотно прилегающий фиксатор может выскочить во время ходьбы.
Материалы для уплотнений и фиксаторов
Выбор материала предполагает баланс между гибкостью, химической стойкостью и прочностью. В качестве уплотнений обычно используются эластомеры; в фиксаторах часто применяются металлы или пластмассы.
Нитриловая резина и витон
Нитриловая резина хорошо работает с маслом и смазкой. Она стоит дешевле, чем витон. Витон выдерживает более высокие температуры и воздействие агрессивных химических веществ. Для соединений, подверженных воздействию чистящих средств или очень высоких температур, витон безопаснее. Компромисс заключается в цене.
Стопорные кольца из нержавеющей стали
Кольца из нержавеющей стали обладают высокой прочностью и устойчивостью к коррозии. Они выдерживают вибрацию и многократную сборку. Материал лучше сохраняет форму, чем пластиковые кольца. Для больших нагрузок нержавеющая сталь является стандартным выбором.
ПТФЭ и СВМПЭ
ПТФЭ обладает низким коэффициентом трения и устойчивостью к химическим веществам. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) обладает высокой износостойкостью. Оба материала хорошо подходят в качестве опорных колец или изнашиваемых деталей. Они защищают основное уплотнение от выталкивания или повреждения. В корпусе экзоскелетного сустава эти материалы увеличивают срок службы соединения. Инженеры часто проводят анализ методом конечных элементов (МКЭ), чтобы проверить, как уплотнения и фиксаторы ведут себя под нагрузкой. Прочность системы фиксации зависит от материала, формы и посадки. Слабый фиксатор выходит из строя раньше, чем уплотнение. Этот отказ позволяет грязи проникать внутрь и разрушает подшипники. То же самое относится ко всем подшипникам в узле. Каждому из них необходимо уплотнение и фиксатор, соответствующие его допускам и профилю нагрузки. На практике герметизации и фиксации следует уделять столько же внимания, сколько и основному корпусу. Дешевое уплотнение может испортить дорогостоящее соединение.
Механическая обработка корпуса шарнира экзоскелета
Существует множество способов изготовления корпусов суставов для экзоскелетов. Можно использовать обычную обработку на станках с ЧПУ и литье под давлением. Также можно применять аддитивное производство. Каждый метод обеспечивает разный уровень точности и возможности выбора формы. Оптимальный выбор зависит от необходимого количества, бюджета и требуемых характеристик. Такие компании, как NOBLE, ведущее производственное предприятие в Китае, предлагают все эти варианты в одном месте. Их навыки обработки материалов помогают клиентам перейти от прототипа к полномасштабному производству без смены поставщиков.
Вычитающие процессы
3-х и 5-ти осевая обработка на станках с ЧПУ
Трехосевая обработка на станках с ЧПУ позволяет создавать простые формы. Инструмент перемещается по осям X, Y и Z, в то время как деталь остается неподвижной. Она хорошо подходит для простых кронштейнов и плоских поверхностей. Пятиосевая обработка добавляет две оси вращения. Инструмент может обрабатывать подрезы и наклонные поверхности за одну установку. Это значительно помогает при изготовлении корпусов экзоскелетных шарниров со сложными изгибами. Меньшее количество установок означает более высокую точность. Пятиосевое фрезерование — распространенный выбор для изготовления алюминиевых корпусов шарниров на заказ. Динамические схемы фрезерования помогают при обработке тонкостенных деталей, предотвращая дрожание тонких участков во время резки.
Токарная и токарно-фрезерная обработка
Токарная обработка позволяет обрабатывать круглые детали на токарном станке. Посадочные места подшипников, отверстия для валов и канавки для стопорных колец – все это зависит от токарной обработки. Деталь вращается, а инструмент перемещается вдоль нее. Токарно-фрезерные операции сочетают токарную и фрезерную обработку на одном станке. Это сокращает время обработки и обеспечивает лучшее выравнивание круглых и плоских деталей. Точная токарная обработка обеспечивает необходимую для посадочных мест подшипников идеально ровную округлость.
Аддитивные технологии и 3D-печать
Аддитивное производство металлов
Технология аддитивного производства металла предполагает изготовление деталей из металлического порошка. Лазер расплавляет каждый слой и сплавляет его с нижележащим слоем. В результате получается полностью плотная металлическая деталь. Эта технология хорошо подходит для сложных внутренних каналов, которые невозможно обработать механическим способом. Компромисс заключается в качестве поверхности. Напечатанные поверхности требуют последующей механической обработки для создания опор подшипников и канавок для уплотнений.
Направленное энергетическое вложение
Метод направленного энергетического осаждения (DED) предполагает подачу металлического порошка или проволоки в лазерный луч. Материал плавится при соприкосновении с деталью. DED лучше всего подходит для добавления элементов или устранения износа. Он реже используется для изготовления целых корпусов, но полезен для гибридного производства. Вы обрабатываете базовый корпус на станке, а затем наносите на него напечатанные элементы.
Технология послойного наплавления (FDM) также играет важную роль, особенно на ранних этапах разработки. FDM позволяет создавать детали из расплавленной нити послойно. Эти элементы, напечатанные на 3D-принтере, хорошо подходят для прототипов и деталей с низкой нагрузкой. FDM предоставляет инженерам быстрый способ проверки соответствия и формы. Эти несущие элементы, напечатанные на 3D-принтере с использованием технологии FDM, служат функциональными тестовыми образцами. Они позволяют проверить зазоры и сборку до начала резки металла. Технология послойного наплавления предлагает надежный способ тестирования конструкций без ожидания изготовления оснастки.
Процессы формования и литья
Литье по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям начинается с восковой модели. Модель покрывается керамикой. После затвердевания керамики воск расплавляется. Металл заполняет образовавшееся пустое пространство. Этот процесс позволяет создавать сложные внутренние формы, недоступные для механической обработки. Качество поверхности и точность находятся между печатью и литьем.
Литье под давлением
Литье под давлением заставляет расплавленный пластик поступать в стальную форму. Этот процесс быстрый, время цикла составляет менее минуты. Первоначальные затраты на оснастку высоки, но стоимость детали снижается с увеличением объема производства. Для крупносерийного производства корпусов экзоскелетных суставов литье под давлением является предпочтительным методом. Этот процесс обеспечивает стабильные размеры тысяч деталей. Компания NOBLE предлагает все эти методы от одного поставщика. Это означает, что вы можете создавать прототипы с помощью печати, проверять их с помощью литья и масштабировать производство с помощью литья или механической обработки.
Вопросы проектирования корпуса сустава экзоскелета.
Корпус экзоскелета должен выдерживать нагрузки, не деформируясь. Он также должен оставаться лёгким. Каждый лишний грамм означает, что двигатели работают с большей нагрузкой. Инженеры стремятся сбалансировать эти два требования на каждом этапе.
Прочность конструкции и оптимизация веса
Топологическая оптимизация и ребра жесткости
Топологическая оптимизация определяет, где материал необходим больше всего. Программное обеспечение начинает работу с блока материала. Оно удаляет все, что не несет напряжений. То, что остается, выглядит как естественная структура, тонкая и эффективная. Ребра жесткости придают тонким стенкам дополнительную прочность. Ребра, расположенные вдоль путей передачи нагрузки, предотвращают деформацию стенок. Хороший рисунок ребер может значительно повысить жесткость корпуса. Прочность всего корпуса зависит от того, как ребра соединяются с опорами подшипников и монтажными площадками.
Проверка результатов конечно-элементного анализа
Метод конечных элементов проверяет конструкцию перед резкой металла. Инженеры создают сетку из мелких элементов на детали. Они прикладывают нагрузки и ограничения. Программное обеспечение рассчитывает напряжение и прогиб в каждой точке. Оно выявляет слабые места на ранней стадии. Для деталей из углеродного волокна инженеры используют ортотропную модель материала, которая учитывает различные значения жесткости в разных направлениях. Метод конечных элементов помогает сравнить варианты. Проведение одного и того же анализа для алюминия, титана и углеродного волокна показывает, какой материал лучше всего выдерживает нагрузку. Метод конечных элементов также подтверждает правильность расположения ребер. Результаты анализа методом конечных элементов определяют окончательную форму и выбор материала.
Терморегулирование и износостойкость
Пути рассеивания тепла
Внутри корпуса тепло выделяется из нескольких источников. Исполнительные механизмы и двигатели генерируют тепло во время работы. Электронные компоненты внутри корпуса дополнительно нагреваются. Тепло тела пользователя усугубляет ситуацию. Точки контакта в суставах нагреваются из-за трения и напряжения. Ограниченная вентиляция вокруг сустава удерживает это тепло. Изоляционные слои в подкладке препятствуют отводу тепла. Влага от пота снижает охлаждение и вызывает раздражение кожи. Динамическая работа создает переменные тепловые нагрузки. Инженеры проектируют пути для отвода тепла. Они используют ребра, проводящие прокладки и каналы для отвода воздуха, чтобы отводить тепло от чувствительных частей.
Обработка поверхности и покрытия
Внешние оболочки изготавливаются из АБС-пластика, углеродного волокна или алюминиевых сплавов. Каждый материал по-разному проводит и изолирует тепло. Внутренние контактные слои используют пенополиуретан с эффектом памяти и сетку. Эти материалы защищают пользователя, но также удерживают тепло. Органические полимеры в сочетании с тканями повышают теплоизоляцию. Эта повышенная изоляция изменяет тепловую реакцию всего соединения. Покрытия, такие как твердое анодирование алюминия, добавляют износостойкий слой. Они улучшают коррозионную стойкость при использовании в медицинских целях или на открытом воздухе.
Доступность при сборке и техническом обслуживании
Модульная конструкция для замены в полевых условиях
Модульная конструкция позволяет специалисту быстро заменить поврежденный корпус. Стандартные крепежные элементы и соединители сокращают время простоя. Модульное соединение должно соответствовать оригинальной конструкции по прочности. Испытания доказывают, что соединение выдерживает многократные нагрузки. Такой подход также позволяет модернизировать конструкцию. Более новый привод может быть установлен в тот же корпус.
Управление накоплением допусков
Допуски суммируются по всей сборке. Если отверстие вала находится на пределе своих возможностей, а подшипник — на пределе, это приводит к неплотной посадке. Эта неплотная посадка вызывает вибрацию и шум. Анализ суммирования допусков позволяет прогнозировать наихудший зазор. Инженеры корректируют отдельные допуски, чтобы конечная сборка соответствовала техническим требованиям. Точность конечного соединения зависит от управления этими суммами допусков. Прочность болтовых соединений зависит от правильного предварительного натяжения. Свободно затянутый болт снижает прочность соединения. Затянутый болт срывает резьбу. Грамотное управление суммами допусков обеспечивает правильную работу каждого крепежного элемента.
Материалы, обычно используемые для изготовления корпуса сустава экзоскелета
Материалы, используемые в корпусах суставов экзоскелетов, весьма разнообразны. Чаще всего выбирают алюминиевые сплавы и сталь благодаря их высокому соотношению прочности к весу и устойчивости к усталости. Также используются полимеры, такие как ABS, в основном для прототипов, изготовленных методом 3D-печати. Каждый материал имеет свои преимущества и недостатки.
Драгоценные металлы
Алюминий 6061-T6 и 7075-T6
Алюминий 6061-T6 и 7075-T6 — два наиболее распространенных сплава для корпусов соединений. Они хорошо поддаются механической обработке и обладают высокой прочностью. Но они различаются по ключевым параметрам. Вот сравнение:
| Свойства | 6061‑Т6 | 7075‑Т6 / 7075‑Т651 |
| Прочность на растяжение | 276 МПа | 503 МПа |
| Предел выносливости | 96 МПа | 160 МПа |
| Модуль упругости | 71.0 ГПа | 71.7 ГПа |
| Коррозионная стойкость | Самопассивирующаяся пленка оксида Al₂O₃ (стабильная) | Содержит 1.2–2.0% меди; требует нанесения покрытия. |
| Требования к покрытию | Нет вариантов для суровых условий эксплуатации. | Должен быть пассивирован или покрыт. |
Переход от сплава 6061 к 7075 уменьшает площадь поперечного сечения примерно на 45% при той же растягивающей нагрузке. Однако жесткость остается практически неизменной. Если конструкция ориентирована на устойчивость к изгибу, то 7075 не дает никаких преимуществ. Для высокоцикловой эксплуатации лучше выбрать 7075 или углеродное волокно. Усовершенствованные термореактивные или анодированные многослойные покрытия герметизируют микропористость на сплаве 7075-T6. Эти покрытия предотвращают коррозионное растрескивание под воздействием влаги при высокочастотной циклической нагрузке, превышающей 10 миллионов циклов ходьбы. Герметизированные поверхности с твердым анодированием также выдерживают более 2,000 часов испытаний в солевом тумане без образования точечных повреждений.
Титан Ти-6Ал-4В
Титан Ti-6Al-4V прочнее обоих алюминиевых сплавов и легче стали. Он хорошо выдерживает высокие температуры и коррозию. Его часто используют в медицинских экзоскелетах, поскольку он взаимодействует с человеческим телом. Компромисс заключается в стоимости и сложности обработки. Титан плохо поддается обработке режущим инструментом и стоит дороже за килограмм. Но для применений, где вес и коррозионная стойкость имеют первостепенное значение, он заполняет пробел, недоступный алюминию.
Нержавеющая сталь 17-4 PH
Нержавеющая сталь 17-4 PH используется в изнашиваемых деталях корпусов шарниров. Она применяется в корпусах подшипников, шарнирных штифтах и точках поворота. Сталь тяжелая, но прочная и недорогая. В некоторых пассивных экзоскелетах для накопления упругой энергии используется пружинная сталь. Специальные сплавы выдерживают экстремальные циклические нагрузки. Сталь не является предпочтительным материалом для конструкций, где важен вес, но с точки зрения долговечности она хорошо себя зарекомендовала.
Полимеры и композиты
ПЭЭК и ПЭИ
PEEK и PEI (продаются под торговой маркой Ultem) — это конструкционные пластмассы, используемые для изготовления втулок и подшипниковых поверхностей шарниров. Они устойчивы к износу без смазки, что снижает вес и стоимость. Кроме того, из них можно формовать изделия, которые было бы дорого изготавливать из алюминия. Для корпусов экзоскелетных шарниров эти пластмассы хорошо подходят в тех случаях, когда смазка нецелесообразна.
Композиты из углеродного и стекловолокна
Углеродсодержащие полимеры обладают превосходным соотношением прочности к весу. Однако они хрупкие. Легко подвергаются ударным воздействиям. Матричные материалы разрушаются под воздействием ультрафиолетового излучения, перепадов температуры и влаги. Это приводит к расслоению и потере прочности. Стекловолоконные композиты стоят дешевле, но весят больше. Оба материала требуют тщательного проектирования, чтобы избежать внезапного разрушения.
PLA и ABS для 3D-печатных прототипов
Для прототипов на ранних стадиях обычно используются ABS и PLA. Инженеры применяют технологию послойного наплавления (FDM) для быстрой печати этих деталей. Полимерная нить подается через нагретое сопло и наращивается послойно. Эти несущие элементы, напечатанные на 3D-принтере, хорошо подходят для проверки соответствия размеров и зазоров. Они не предназначены для серийного производства. Но технология послойного наплавления позволяет быстро тестировать формы. Инженеры полагаются на печать из-за скорости и низкой стоимости. Свойства материалов этих напечатанных деталей достаточно хороши для прототипирования. Именно поэтому печать ABS так распространена на ранних стадиях.
Критерии отбора и компромиссы между сильными сторонами.
Отношение прочности к весу
Существует принципиальный компромисс между прочностью, весом и долговечностью. Алюминиевые сплавы легкие, но склонны к разрушению при многократных нагрузках. Сталь обладает большей прочностью, но увеличивает вес, что сокращает время работы батареи и снижает комфорт пользователя. Композиты из углеродного волокна имеют отличное соотношение прочности и веса, но их разрушение происходит непредсказуемым образом.
Стоимость и обрабатываемость
Стоимость и объемы производства определяют выбор материалов. Сплав 6061 дешев и легкодоступен. Углеродное волокно дорого и медленно производится. Для мелкосерийного производства предпочтительнее использовать обработанный металл. Для крупносерийного производства оправдано использование пластика, полученного методом литья под давлением. Обрабатываемость также имеет значение. Алюминий быстро режется. Титан изнашивает инструменты.
Коррозионная стойкость и усталостная стойкость
Коррозионная стойкость обеспечивает работоспособность соединения в суровых условиях. Алюминий 6061 образует стабильный оксидный слой самостоятельно. Алюминий 7075 нуждается в покрытии из-за содержания меди. Усталостная прочность не менее важна. Алюминий 6061-T6 имеет усталостную прочность 96 МПа. 7075-T6 достигает 160 МПа. Для высокоцикловой эксплуатации предпочтительнее использовать 7075 или углеродное волокно. Часто причиной отказа являются сами механизмы соединений. Обычные шарикоподшипники и втулки быстро изнашиваются под воздействием высокочастотных нагрузок. Подшипник внутри корпуса сталкивается с теми же требованиями. Подшипники должны выдерживать многократные циклы без износа. Отсутствие эффективных самосмазывающихся материалов повышает потребность в техническом обслуживании. Инженеры учитывают механические свойства, такие как усталостная прочность, при выборе материала. Прочность всей сборки зависит от правильного выбора. Они также проводят анализ методом конечных элементов для проверки поведения под нагрузкой. Свойства материала определяют каждое решение. Правильный выбор материала определяет долговечность соединения и его преждевременный выход из строя.
Компания NOBLE специализируется на создании экзоскелетных соединений.
Компания NOBLE — наш производственный партнер, работающий с металлом и пластиком. Мы изготавливаем детали корпусов суставов экзоскелетов для команд, которым необходимы жесткие допуски и стабильное качество. Наш цех занимается как металлическими, так и пластиковыми работами. Такое сочетание имеет значение, поскольку для изготовления корпуса сустава редко используется только один материал.
Возможности обработки металла и пластмасс
Обработка на станках с ЧПУ, литье и литье под давлением
Мы занимаемся обработкой на станках с ЧПУ, литьем и литьем под давлением — все в одном месте. Это значит, что у нас можно изготовить обработанный алюминиевый корпус, литой кронштейн привода и формованный кронштейн датчика. Вы избегаете взаимных обвинений, когда три поставщика указывают друг на друга пальцем. Для пластиковых деталей мы используем ABS-пластик и другие конструкционные марки. Мы также поддерживаем печать для предварительной подготовки и изготовления оснастки. Если вам нужен быстрый прототип перед изготовлением оснастки, печать позволит вам быстро получить готовую деталь.
Услуги по проектированию, созданию прототипов и сборке.
Наша команда помогает с проектированием, созданием прототипов и сборкой. Мы изучаем ваши чертежи, указываем на труднообрабатываемые элементы и предлагаем изменения, позволяющие снизить затраты. Затем следует создание прототипов, а после этого – полная сборка. Мы запрессовываем подшипниковые седла, устанавливаем стопорные кольца и проверяем посадку перед отправкой. Прочность конечного изделия зависит от этих этапов, поэтому мы рассматриваем сборку как часть производственного процесса, а не как дополнительную операцию.
Сертификаты и обеспечение качества
Мы обладаем соответствующими сертификатами системы управления качеством, в том числе и сертификатами для медицинских изделий. Эти сертификаты — не просто украшение. Они определяют то, как мы документируем работу, обучаем персонал и обрабатываем изменения в заказах.
Полная отслеживаемость и протоколы контроля качества
Каждую партию можно отследить по сертификату материала и журналу обработки на станке. Мы проверяем поступающие материалы, элементы в процессе обработки и готовые детали. Контроль с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) подтверждает диаметр отверстия, его положение и плоскостность. Если какой-либо размер отклоняется от нормы, мы выявляем это до того, как это приведет к проблемам с укладкой. Такая дисциплина обеспечивает прочность каждого соединения и соблюдение сроков выполнения заказа.
От проектирования до сборки
Совместная инженерная поддержка
Мы работаем как продолжение вашей инженерной команды. Отправьте нам модель, и мы расскажем вам, что это за оборудование, сколько оно стоит и где оно может выйти из строя. Такой обмен информацией позволяет сократить циклы доработок.
Комплексное производство и тестирование.
От изготовления первого образца до полномасштабного производства мы занимаемся механической обработкой, литьем, отделкой и тестированием. Вы получаете одного партнера, одну систему контроля качества и одного контактного лица. В этом и заключается вся идея компании NOBLE.
Корпус любого экзоскелетного сустава состоит из одних и тех же основных частей: основной оболочки, опор подшипников, креплений привода и двигателя, кронштейнов датчиков, а также уплотнительных и фиксирующих элементов. Каждый из них имеет свой собственный технологический процесс, требования к точности и варианты материалов. Эти решения должны соответствовать нагрузке, весу и условиям окружающей среды, в которых будет находиться сустав.
Здесь важную роль играют механическая обработка, литье, формовка и 3D-печать. Не менее важен и выбор материалов, который обеспечивает баланс между прочностью, весом, стоимостью и коррозионной стойкостью. Правильно подобранный корпус гарантирует работоспособность соединения.
Часто задаваемые вопросы о соединении экзоскелетов
Из чего сделан корпус сустава экзоскелета?
Корпуса экзоскелетных суставов часто изготавливаются из алюминиевых сплавов, таких как 6061-T6. Титан Ti-6Al-4V используется в медицине или в агрессивных средах. Полимеры, армированные углеродным волокном, обеспечивают наилучшее соотношение прочности и веса. PEEK используется для втулок и подшипниковых поверхностей. Выбор зависит от нагрузки, веса и условий эксплуатации.
Почему точность установки подшипника имеет такое большое значение?
Если отверстие свободно, подшипник может вращаться на месте. Если оно слишком тугое, обойма деформируется. В обоих случаях соединение теряет энергию и быстро изнашивается. Диаметр отверстия, округлость, соосность и перпендикулярность защищают подшипник. Правильное соблюдение этих параметров обеспечит бесперебойную работу соединения на протяжении тысяч циклов.
Можно ли напечатать на 3D-принтере корпус сустава экзоскелета?
Можно печатать прототипы, но напечатанные детали не такие прочные, как детали из кованого металла. Технология послойного наплавления (FDM) отлично подходит для предварительной проверки посадки и зазоров. Аддитивное производство металла позволяет создавать плотные металлические детали со сложными внутренними каналами. После печати эти детали все еще нуждаются в механической обработке для создания опор подшипников и канавок для уплотнений.
Какие допуски необходимы для кронштейнов датчиков?
Необходимо строго контролировать расположение монтажных отверстий, ориентацию датчика, плоскостность поверхности и повторяемость результатов. Термическая стабильность также имеет значение, поскольку материалы расширяются с разной скоростью.
Как уплотнители и фиксаторы защищают соединение?
Уплотнения предотвращают попадание пыли, воды и грязи внутрь. Они также удерживают смазку внутри. Фиксаторы предотвращают выпадение уплотнений и смещение подшипников. Материалы уплотнений выбираются в зависимости от условий эксплуатации; металлические кольца хорошо выдерживают вибрацию и многократную сборку.
Что такое топологическая оптимизация в проектировании жилых зданий?
Оптимизация топологии начинается с создания сплошного блока материала. Программное обеспечение удаляет весь материал, не несущий напряжений. В результате получается тонкая, эффективная форма, которая выглядит естественно. Ребра жесткости делают тонкие стенки более прочными. Хороший рисунок ребер жесткости может значительно повысить жесткость оболочки.
Зачем алюминию марки 7075 нужно покрытие?
Алюминий 7075 содержит медь, которая препятствует образованию естественного оксидного слоя. Без этого слоя влага может вызвать коррозионное растрескивание под напряжением. Пассивированное или анодированное покрытие герметизирует поверхность. Герметизированные поверхности с твердым анодированием могут выдерживать более 2,000 часов испытаний в солевом тумане без образования точечных повреждений.
В каких случаях следует отдавать предпочтение титану перед алюминием?
Титан Ti-6Al-4V способен выдерживать высокие температуры и коррозию, чего не может алюминий. Он также биосовместим, что важно для медицинских экзоскелетов. Недостатками являются высокая стоимость и сложность обработки. Для критически важных по весу соединений в суровых условиях или в медицинской практике титан подходит там, где алюминий не справляется.
