К 2025 году объем рынка экзоскелетов достиг 850 миллионов долларов США. Ежегодный рост составляет 21.4%. Это стимулирует спрос на конструктивные элементы экзоскелетов, обеспечивающие баланс между прочностью и весом.
Экзоскелеты в природе дают нам идеи. Экзоскелеты ракообразных имеют многослойную кутикулу. Кутикула ракообразных содержит хитин и карбонат кальция. Эпикутикула герметизирует поверхность кутикулы. Экзокутикула содержит плотный хитин, который делает её твёрдой. Эндокутикула содержит гибкий хитин, который делает её прочной. Хитин придаёт кутикуле прочность. Хитин в экзокутикуле противостоит износу. Хитин в эндокутикуле поглощает удары. Карбонат кальция затвердевает экзокутикулу. Эпикутикула содержит мало хитина. Экзокутикула и эндокутикула образуют основную массу кутикулы. Эта система кутикулы уравновешивает вес и прочность. Инженеры изучают кутикулу в поисках идей. Экзокутикула показывает, как противостоять износу. Эндокутикула показывает, как поглощать удары. Эпикутикула показывает, как герметизировать. Эти природные материалы вдохновляют людей на создание собственных проектов.
В разработке экзоскелетов для человека используются эти знания. Медицинские экзоскелеты помогают в реабилитации. Промышленные экзоскелеты снижают нагрузку.
В этом руководстве вы найдете ответы на свои вопросы. Какие детали важны? Какие материалы лучше всего подходят? Как мы их изготавливаем? Читайте дальше.
Основные компоненты конструктивных элементов экзоскелета
Каждый экзоскелет состоит из трех основных элементов. Несущие рамы удерживают вес. Суставы и приводы обеспечивают движение. Человеко-машинный интерфейс связывает устройство с вашим телом. Эти структурные части экзоскелета работают вместе как единая система. Каждый элемент влияет на работу других.
Несущие рамы и шасси
Каркас — это основа любого экзоскелета. Он удерживает полезную нагрузку, распределяет силы и фиксирует все остальные структурные элементы экзоскелета . Инженеры выбирают материалы, исходя из прочности, веса и стоимости. Механические свойства каркаса определяют, какую нагрузку пользователь может нести, не уставая.
Конструкция рамы из алюминия и титана
Алюминиевые сплавы, такие как 7075, обеспечивают высокое соотношение прочности к весу. Они стоят дешевле титана и легко поддаются механической обработке. Титан обладает коррозионной стойкостью и долговечностью. Он особенно эффективен в медицинских и военных экзоскелетах, которые подвергаются воздействию пота, влаги или суровых условий окружающей среды. Оба металла хорошо выдерживают многократные нагрузки. Обработанная на станке алюминиевая рама может весить несколько килограммов. Титановая версия весит больше, но служит дольше в полевых условиях.
Композитные конструкции из углеродного волокна
Композиты из углеродного волокна значительно снижают вес. Они обеспечивают высокую жесткость при малой массе. Это важно для экзоскелетов, которые носят весь день. Углеродные опоры и углеродные волокна используются в устройствах для верхних и нижних конечностей. Технология укладки смоляного волокна позволяет инженерам регулировать жесткость в разных направлениях. Карбоновый каркас может изгибаться в одной оси и оставаться жестким в другой. Такого контроля трудно добиться, используя только металл.
Соединения, приводы и двигательная установка
Шарниры позволяют раме двигаться. Приводы обеспечивают подачу энергии. Вместе они превращают жесткую конструкцию в работающий механизм. Задача проектирования состоит в том, чтобы разместить двигатели, редукторы, датчики и проводку в небольшом пространстве рядом с корпусом.
Искусственные мышцы и системы с электроприводом
В экзоскелетах с электроприводом используются электродвигатели, гидравлические приводы или пневматические системы. Эти компоненты обеспечивают активную помощь. Датчики и алгоритмы управления определяют, что хочет сделать пользователь. Затем они координируют действия с помощью электропривода для перемещения конечностей. Это связывает систему привода с человеко-машинным интерфейсом. В результате повышается прочность и выносливость для промышленного, военного или реабилитационного применения. Институт Висса при Гарвардском университете идет другим путем. Они создают мягкие экзоскелеты с гибкими текстильными приводами и встроенными датчиками. Их системы остаются легкими и работают с существующими средствами передвижения.
Механизмы артикуляции для обеспечения диапазона движений
Привод физически перемещает такие суставы, как тазобедренный, коленный, голеностопный, плечевой и локтевой. Он преобразует вращение двигателя в скорость и крутящий момент сустава. Компактный приводной блок, такой как BCSA, размещает бескаркасный двигатель и циклоидальный редуктор в тонкой конструкции. Циклоидальный редуктор увеличивает крутящий момент за счет уменьшения. Он также распределяет нагрузку по нескольким зонам контакта. Это помогает суставу выдерживать повторяющиеся нагрузки и внешние удары во время ходьбы. Размер также имеет значение. Если приводной блок слишком сильно выступает, он может мешать расположенным рядом конструкциям. Это ограничивает естественное движение. Более тонкие приводы, расположенные близко к телу, сохраняют естественное движение сустава. Многосуставные приводы увеличивают общий вес. Одного уменьшения размера недостаточно, если крутящий момент становится слишком низким. Необходимо учитывать требуемый крутящий момент сустава, диапазон движения, рабочую скорость, габариты привода и его вес в совокупности.
| фактор | Влияние на суставы экзоскелета |
| роль исполнительного механизма | Определяет, может ли сустав обеспечить необходимое движение и вспомогательный крутящий момент. |
| Пример типа исполнительного механизма | Компания BCSA разместила бескаркасный двигатель и циклоидальный редуктор в тонкой, компактной конструкции. |
| Выход крутящего момента | Циклоидальный редуктор обеспечивает высокий крутящий момент и выдерживает многократные нагрузки или внешние удары. |
| Диапазон движения | Более тонкие актуаторы, расположенные близко к телу, помогают сохранить естественную подвижность суставов. |
| Размер и вес | Конструкция должна обеспечивать баланс между компактностью и достаточным крутящим моментом для обеспечения движения и поддержки нагрузок на соединения. |
| Рассмотрение дизайна | Выбор исполнительного механизма напрямую влияет как на возможности перемещения, так и на крутящий момент. |
Компоненты человеко-машинного интерфейса
Интерфейс — это место, где устройство соприкасается с телом. Он должен быть удобным, надежным и передавать нагрузки, не вызывая боли. Хороший дизайн интерфейса обеспечивает безопасность пользователя и эффективность устройства.
Грудные опоры и манжеты для конечностей
Грудные опоры распределяют нагрузку по туловищу. Они удерживают экзоскелет в устойчивом положении во время подъема тяжестей или работы над головой. Манжеты для конечностей обхватывают руки или ноги. Они передают вспомогательный крутящий момент пользователю. В состав силовых частей рук часто входят манжеты на предплечье и плече. Эти манжеты должны подходить для разных размеров тела. Модульные и адаптивные системы крепления решают эту проблему. Они используют регулируемые компоненты, быстросъемные механизмы и настраиваемые интерфейсы. Регулируемые ремни, модульные шарнирные блоки и переконфигурируемые элементы каркаса позволяют одному устройству подходить многим пользователям.
Мягкие контактные точки и ремни
Мягкая подкладка снижает давление на кожу. Ремни удерживают устройство на месте во время движения. Компания Össur разрабатывает протезно-ортопедические решения со встроенной сенсорной технологией и микропроцессорным управлением. Их экзоскелеты используют адаптивные алгоритмы в реальном времени. Они регулируют поддержку в зависимости от моделей движений пользователя и условий окружающей среды. Интеллектуальные датчики определяют, что хочет сделать пользователь. Они обеспечивают плавную помощь при ходьбе, стоянии и переходных движениях. Это демонстрирует, как взаимодействуют структурные элементы экзоскелета, привод и человеко-машинный интерфейс.
С практической точки зрения, изготовление этих конструктивных элементов экзоскелета требует жестких допусков и стабильного качества. Компания NOBLE, ведущий китайский производитель, предоставляет исключительные возможности обслуживания и профессиональный опыт в области механической обработки. Их команда помогает клиентам эффективно переходить от прототипа к серийному производству. Независимо от того, нужны ли вам обработанные алюминиевые рамы или изготовленные на заказ опоры из углеродного волокна, партнер с подходящим оборудованием имеет решающее значение.
Материалы для конструктивных элементов экзоскелета
Выбор подходящего материала для конструктивных элементов экзоскелета означает поиск баланса. Необходимы малый вес, высокая прочность и длительный срок службы. Ни один материал не может обеспечить все это в одном. Именно поэтому инженеры смешивают металлы, композиты и полимеры. Давайте рассмотрим основные варианты.
Алюминий 7075 и титан
Алюминий 7075-T6 — это популярный материал для каркасов экзоскелетов. Его предел прочности на растяжение достигает 572 МПа, а предел текучести — 503 МПа. Сравните это с 6061-T6, у которого предел прочности на растяжение составляет 310 МПа, а предел текучести — 276 МПа. Это примерно на 83% выше предел текучести. Плотность составляет 2.81 г/см³ против 2.70 г/см³ у 6061. Да, 7075 немного тяжелее. Но его соотношение прочности к весу выигрывает. Оно достигает примерно 204 МПа/(г/см³). У титана марки 5 этот показатель составляет около 187 МПа/(г/см³). Таким образом, 7075 примерно на 9% эффективнее для деталей, критически важных по весу. Аэрокосмический 7075-T6 с магниевыми армирующими элементами может снизить вес до 40%, сохраняя при этом предел текучести выше 500 МПа. Это важно для элементов каркаса, которым необходима высокая прочность и малая масса.
Высокое соотношение прочности и веса алюминия 7075
Обрабатываемость сплава 7075 составляет 5/10. Для сплава 6061 — 8/10. Таким образом, 7075 сложнее обрабатывать. Но это действительно выгодно. Он лучше противостоит необратимой деформации. Это помогает в конструкциях, подверженных ударным нагрузкам, таких как коленные суставы и тазобедренные протезы. Анодирование и плазменное электролитическое окисление могут повысить износостойкость и биосовместимость. Точная механическая обработка и аддитивное производство также обеспечивают высокую точность размеров.
Титан для коррозионной стойкости и долговечности.
Титановые сплавы проявляют свои лучшие качества там, где важны коррозия и контакт с кожей. Они устойчивы к поту, влаге и агрессивным средам. Их биосовместимость подходит для конструктивных элементов экзоскелета, соприкасающихся с кожей пользователя. Это снижает риск аллергических реакций или дискомфорта. Экзоскелеты ежедневно подвергаются износу, коррозии и ударам. Титан справляется со всеми тремя факторами. Недостаток? Стоимость материала может утроить общие затраты на систему. Поэтому инженеры используют его избирательно — в соединениях, штифтах и местах с высокой степенью износа.
Углеродное волокно и гибриды
Композиты из углеродного волокна — чемпионы по легкости. Они на 30–40% легче, чем аналоги из алюминия, и при этом сохраняют эквивалентную прочность. Это огромное преимущество для носимых устройств.
Высокая жесткость и снижение веса
Удельная жесткость говорит сама за себя. Углеродное волокно обладает жесткостью 84–94 МН·м/кг. Высокомодульный однонаправленный материал достигает 133–150 МН·м/кг. Алюминий 7075-T6 имеет показатель 25.5 МН·м/кг. Титан Ti-6Al-4V — 25.7 МН·м/кг. Это дает углеродному волокну преимущество в 3.3–5.9 раза. В регулируемых опорах для рук это снижает прогиб в конечной точке на 60–80% при том же весе. Легче и жестче — именно то, что нужно конструктивным элементам экзоскелета.
Комбинации смолы и волокна для обеспечения прочности многослойных конструкций.
Технология укладки полимерного волокна позволяет инженерам регулировать жесткость в каждом направлении. Карбоновая рама может изгибаться по одной оси и оставаться жесткой по другой. Такой контроль сложно обеспечить только с помощью металла. Компромисс заключается в стоимости. Производственные затраты значительно выше, что ограничивает широкое распространение. Именно поэтому существуют гибридные конструкции. В конструкции EksoNR от Ekso Bionics используются соединения из углеродного волокна и алюминиевого сплава. Ее общий вес составляет около 23 кг. Для некоторых применений она все еще тяжелая, но прочная.
| Материал / Подход | Преимущества снижения веса | Долговечность / Прочность | Компромиссы |
| Композиты из углеродного волокна | на 30–40% легче алюминия | Сохраняет эквивалентную прочность. | Более высокие производственные затраты |
| - | - | - | - |
| Алюминиевые сплавы | Легкий конструкционный материал | Сохраняет структурную целостность | Используется с углеродным волокном для соединений. |
| Инженерные полимеры | Способствует общему снижению веса. | Поддерживать структурную целостность | Используется в некритичных или модульных компонентах. |
| Усовершенствованные титановые сплавы | Превосходное соотношение прочности и веса | Высокая прочность | Затраты на материалы могут утроить системные расходы. |
| Оптимизация конструкции (топология, МКЭ) | Минимизирует расход материала в некритических зонах. | Обеспечивает прочность несущих деталей. | Требуется опыт в области вычислительного моделирования. |
Уроки, извлеченные из экзоскелетов и кутикулы ракообразных.
Природа давно решила эту проблему. Кутикула ракообразных — это структурный биологический композитный материал. Она вдохновила на создание легкой брони для экзоскелетов человека. Кутикула ракообразных имеет три основные зоны: эндокутикулу, экзокутикулу и эпикутикулу. Каждая из них играет свою роль. Эндокутикула, экзокутикула и эпикутикула располагаются слоями. Эпикутикула герметизирует поверхность. Экзокутикула содержит плотный хитин, обеспечивающий твердость. Эндокутикула использует гибкий хитин для прочности. Хитин придает кутикуле прочность. Хитин в экзокутикуле противостоит износу. Хитин в эндокутикуле поглощает удары. Карбонат кальция затвердевает экзокутикулу. Карбонат кальция также делает кутикулу более жесткой. Эпикутикула содержит мало хитина. Экзокутикула и эндокутикула образуют основную массу кутикулы. Эта система кутикулы обеспечивает баланс веса и прочности.
Биологическое вдохновение для создания легкой брони
Кутикула ракообразных имеет структуру из скрученной фанеры. Этот рисунок Булигана предотвращает расслоение. Он перенаправляет трещины от удара и увеличивает рассеивание энергии. Это демонстрируют кутикулы креветок-богомолов и крабов. Ламинированные листы с большими изменениями угла вблизи нагруженной поверхности лучше противостоят удару. Спиральные волокна скелета омара позволили создать павильон шириной 8 м и массой 320 кг со стенами толщиной 4 мм. В этом и заключается сила конструкции из скрученной фанеры.
Природные материалы против искусственно созданных полимеров
Кутикула ракообразных — это биологический композитный материал, построенный из белка и хитина. Белок и хитин образуют хитин-белковые волокна. Эти хитин-белковые волокна создают хитин-белковые фибриллы. Химический состав экзоскелетов варьируется в зависимости от вида. Химический состав экзоскелетов также изменяется в процессе склеротизации или кальцификации. Твердый экзоскелет членистоногих использует эту химию. Твердый, жесткий экзоскелет защищает животное. Внешний экзоскелет членистоногих устойчив к износу. Самый внешний экзоскелет членистоногих удерживает влагу внутри. Различные слои кутикулы членистоногих вдохновляют на создание инженерных полимеров. PLA для 3D-печати — один из примеров. Он не такой прочный, как хитин, но дешев и пригоден для печати. Различные слои кутикулы членистоногих также направляют гибридные методы укладки. Членистые конечности в экзоскелетах ракообразных показывают, как создавать гибкие суставы. Членистые конечности также демонстрируют способность справляться с повторяющимися движениями. Экзоскелеты ракообразных учат нас наслаивать материалы. Экзоскелеты ракообразных также учат нас изменять жесткость. Экзоскелеты ракообразных доказывают эффективность легкой брони.
Было показано, что структура Булигана повышает ударопрочность синтетических материалов, предотвращая расслоение волокнистых слоев и увеличивая рассеивание энергии за счет перенаправления трещин, образующихся при ударе.
С практической точки зрения, NOBLE, ведущая китайская производственная компания, предлагает исключительные возможности обслуживания и профессиональный опыт в области механической обработки. Их команда помогает клиентам эффективно переходить от прототипа к серийному производству. Независимо от того, нужны ли вам обработанные алюминиевые рамы или изготовленные на заказ опоры из углеродного волокна, партнер с подходящим оборудованием имеет решающее значение.
Высокоточное производство для Конструктивные части экзоскелета
Хороший дизайн бесполезен без хорошего изготовления. Даже самая лучшая деталь экзоскелета на бумаге окажется несостоятельной, если обработанная деталь не соответствует чертежу. Именно поэтому важна высокая точность.
Обработка CNC для металлических конструктивных элементов экзоскелета
Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает точность, необходимую для экзоскелетов. Она позволяет обрабатывать металл с очень высокой точностью. Это дает один и тот же результат снова и снова для многих деталей. Различные способы изготовления конструктивных элементов экзоскелета имеют свою роль. Для металлических каркасов и шарниров обычно используется обработка на станках с ЧПУ.
Жесткие допуски для соединений рамы.
Для соединения рамы необходима точная посадка. Диаметры отверстий подшипников имеют допуск H7. Для отверстия диаметром 50 мм это означает ±0.012 мм. Для цапф вала требуется допуск H6. Для вала диаметром 50 мм это ±0.009 мм. Эти значения определяют, будет ли шарнир двигаться плавно или заклинит.
Для расположения болтовых отверстий в конструктивных соединениях требуется допуск по положению ±0.1 мм. Для кабельных кронштейнов допустим допуск ±0.2 мм. Длина элементов рамы для позиционирования конечностей должна составлять ±0.15 мм. Для некритичных проставок допустим допуск ±0.5 мм. Параллельность осей шарниров должна оставаться в пределах 0.05 мм на каждые 100 мм длины. Это предотвращает заедание в многоосевых узлах.
Качество обработки поверхности имеет значение для материалов, подверженных нагрузкам. Для контактных поверхностей подшипников требуется Ra 0.8 мкм или лучше. Это предотвращает фрикционную коррозию. Для поверхностей скольжения требуется Ra 1.6 мкм при направленной укладке, перпендикулярной движению. Для конструкционных элементов допустимо Ra 3.2 мкм. Для декоративных поверхностей Ra достигает 0.4 мкм при пескоструйной обработке или анодировании.
Допуски и посадки (GD&T) контролируют положение, перпендикулярность, концентричность и профиль. Каждая метка указывает на конкретную проблему. Компания NOBLE, ведущий китайский производитель с высоким уровнем сервиса и мастерством обработки, обеспечивает эту точность в каждом проекте. Их 5-осевые обрабатывающие центры с ЧПУ позволяют обрабатывать сложные формы. Их команда легко переходит от прототипа к серийному производству.
Качество поверхности и повторяемость
Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает повторяемое качество. Произведите сотню одинаковых деталей. Все они будут иметь одинаковые размеры. Эта стабильность важна для экзоскелетов. Каждый блок работает одинаково.
Аддитивное производство с 3D печать
Станки с ЧПУ хорошо обрабатывают металл. Современные методы производства открывают новые возможности. Аддитивное производство позволяет создавать структурные детали экзоскелета слой за слоем. Оно позволяет создавать формы, недоступные для фрезерования.
PLA и другие термопласты для прототипов
Термопластик PLA отлично подходит для прототипирования. Ultrafuse PLA PRO1 печатается быстро и легко. Он хорошо подходит для защелкивающихся соединений. Его механические свойства превосходят свойства изделий, напечатанных из ABS. Это делает его идеальным для проверки соответствия и функциональности.
Однако у PLA есть пределы. Детали из ABS, напечатанные методом FDM без постобработки, не соответствовали максимальным требованиям по нагрузке. Нагрев после печати улучшил параметры предельного состояния. Ориентация печати также имеет значение. Горизонтальная печать обеспечивает на 23% большую прочность на растяжение, чем вертикальная. Срок службы при усталости различается на 30% в зависимости от ориентации. После 10 000 циклов разница превышает 50%.
PLA подходит для прототипов. Для серийного производства требуются более прочные материалы и постобработка. Но для быстрых изменений ему нет равных.
Сложные геометрические формы, недостижимые методом фрезерования.
Аддитивное производство снимает ограничения, связанные с инструментальной обработкой. Можно проектировать внутренние каналы для охлаждения и смазки. Фрезерование не может достичь этих пространств. Оптимизированные по топологии структуры размещают материал точно там, где действуют нагрузки. Органические, обусловленные нагрузкой формы соответствуют естественной механике тела пользователя.
Интегрированные датчики и кабельные каналы проходят непосредственно к деталям. Легкие решетчатые конструкции обеспечивают соотношение прочности к весу, недостижимое при фрезеровании. Переход от вопроса «Что мы можем изготовить?» к вопросу «Что нужно системе?»
В высокопрочных конструкционных деталях экзоскелетов используется селективное лазерное спекание. Ключевые причины включают сокращение сроков выполнения заказов и возможность массового производства по индивидуальным требованиям. Возможность изготовления сложных форм, недоступных при использовании традиционных методов, стимулирует их внедрение.
Инспекция и контроль качества
Изготовление деталей — это только половина дела. Другая половина — доказать, что они соответствуют техническим характеристикам. Экзоскелеты несут на себе вес человека. Неудача недопустима. Эти экзоскелеты должны быть надежными.
Координатно-измерительные машины для обеспечения высокой точности.
Координатно-измерительные машины проверяют точность размеров на микронном уровне. Они измеряют каждую критически важную деталь и сравнивают результаты измерений с CAD-моделью. Контроль с помощью КИМ гарантирует соответствие конструктивных элементов экзоскелета стандартам качества.
Оптические сканеры и цифровые микрометры добавляют дополнительные проверки. Детали должны точно соответствовать заданным параметрам для безупречной работы. Описание геометрических допусков и размеров (GD&T) основано на координатной метрологии. Координатно-измерительные машины (CMM) являются стандартным инструментом для этой работы.
Обеспечение точности деталей под нагрузкой
Статические испытания под нагрузкой проверяют прочность конструкции при максимальных ожидаемых нагрузках. Динамические испытания под нагрузкой проверяют работоспособность в реальных условиях. Испытания на перегрузку позволяют определить запас прочности и точки отказа.
Испытания на прочность имитируют реальные условия эксплуатации: подъем тяжестей, сгибание, скручивание. Эти действия повторяются тысячи раз. Это позволяет выявить износ до того, как кто-либо получит травму.
Ускоренные испытания на долговечность и испытания на воздействие окружающей среды проверяют работоспособность при изменениях температуры, влажности и многократных нагрузках. Эти испытания гарантируют долговременную надежность.
Расчеты методом конечных элементов (МКЭ) структурных деталей экзоскелета, напечатанных методом FDM, выявили зоны концентрации напряжений. Ориентация печати влияет как на прочность на растяжение, так и на усталостную долговечность. Результаты этих испытаний используются при проектировании и производстве. С каждым этапом достигается улучшение.
Вопросы проектирования конструктивных элементов экзоскелета.
У вас есть детали. У вас есть материалы. Теперь начинается самое сложное. Как создать конструктивные элементы экзоскелета, которые были бы легкими, прочными и доступными по цене? Эти три цели противоречат друг другу. Устраните одну, и пострадают остальные. В этом и заключается задача проектирования. Давайте разберемся.
Оптимизация веса и топология
Вес — враг любого носимого устройства. Каждый грамм имеет значение, когда человек носит экзоскелет весь день. Тяжелые системы быстрее разряжают батареи. Они быстрее утомляют пользователя. Их доставка обходится дороже. Поэтому инженеры борются с проблемой веса со всех сторон.
Генеративный подход к проектированию систем удаления материала.
Генеративный дизайн использует компьютеры для поиска оптимальной формы. Программа начинает с блока материала. Она удаляет все, что не несет нагрузку. В результате получается органическая форма. Она выглядит необычно. Но работает она великолепно.
Топологическая оптимизация исключает использование материала с низким уровнем напряжения. Решетчатые структуры заменяют сплошное заполнение сеткой из крошечных перекладин. Плотность решетки подстраивается под локальные пути приложения нагрузки. Жесткий материал с хорошей прочностью на растяжение позволяет использовать более тонкие стенки решетки. Такой подход имитирует природу. Кутикула ракообразных имеет слоистую структуру. Каждый слой кутикулы по-разному распределяет нагрузку. Экзокутикула отвечает за твердость. Эндокутикула отвечает за прочность. Кутикула ничего не теряет. Инженеры копируют этот прием. Они размещают материал только там, где этого требует напряжение.
Модульная конструкция обеспечивает дополнительную экономию. Пользователи могут прикреплять или отсоединять структурные элементы экзоскелета в зависимости от задачи. Аккумуляторные батареи, приводы и опорные конструкции снимаются, когда не нужны. Это снижает лишний вес. Кроме того, это обеспечивает пользователям гибкость в настройке.
Баланс между жесткостью и массой
Жесткость предотвращает изгиб конструктивных элементов экзоскелета под нагрузкой. Масса обеспечивает их устойчивость. Необходимо и то, и другое. Но они противостоят друг другу.
Композиты из углеродного волокна обеспечивают высокую жесткость при малом весе. Алюминиевые сплавы обеспечивают хорошее соотношение прочности к весу при более низкой стоимости. Современные полимеры заполняют пробелы. Геометрия рамы также имеет значение. Полые конструкции эффективно распределяют нагрузки. Стратегическое размещение материалов снижает концентрацию напряжений.
Распределение веса влияет на ощущение тяжести устройства. По возможности переносите вес на землю. Распределите его по нескольким точкам контакта с телом. Размещайте структурные элементы экзоскелета ближе к естественному центру тяжести тела. Это уменьшает плечо момента силы. Устройство кажется легче, даже если его вес остается тем же.
Энергоэффективность тесно связана со всем этим. Более тяжелым экзоскелетам требуется больше энергии для работы. Это требует более крупных батарей. Более крупные батареи увеличивают вес. Это превращается в порочный круг. Высокоэффективные двигатели и системы трансмиссии могут снизить потребление энергии на 15–30%. Это позволяет использовать батареи меньшего размера. Литий-ионные батареи с ёмкостью 150–250 Вт·ч/кг также помогают. В современных системах многоцелевой оптимизации энергетические показатели учитываются наряду с соотношением прочности к весу.
С практической точки зрения, NOBLE, ведущая китайская производственная компания, предлагает исключительные возможности обслуживания и профессиональный опыт в области механической обработки. Их команда помогает клиентам эффективно переходить от прототипа к серийному производству. Независимо от того, нужны ли вам оптимизированные по топологии рамы или изготовленные на заказ опоры из углеродного волокна, партнер с подходящим оборудованием имеет решающее значение.
Усталостная прочность при циклической нагрузке
Экзоскелеты двигаются. Они сгибаются. Они делают тысячи шагов каждый день. Это повторяющееся движение вызывает усталость. Усталость приводит к трещинам. Трещины приводят к поломке. Никто этого не хочет.
Предотвращение распространения трещин в соединениях
Суставы — это слабые места. Они концентрируют нагрузку. На них приходится наибольшее количество циклов. Они выходят из строя первыми.
Выбор материала здесь имеет решающее значение. При выборе материалов ориентируйтесь на предел усталости и сопротивление распространению трещин. Не полагайтесь только на статическую прочность. Материал, который выдержал испытание один раз, может не выдержать миллион раз.
Обработка поверхности помогает. Анодирование создает оксидный слой. Этот слой улучшает износостойкость и биосовместимость. Дробеструйная обработка создает сжимающее напряжение на поверхности. Это напряжение замедляет образование трещин. Кутикула ракообразных дает еще один урок. Ее структура Булигана предотвращает расслоение. Скрученный рисунок фанеры перенаправляет трещины. Это повышает рассеивание энергии. Синтетические материалы копируют этот подход. Ламинированные листы с большими изменениями угла вблизи нагруженной поверхности лучше противостоят удару.
Механические свойства материалов, используемых в соединениях, определяют их долговечность. Титановые сплавы устойчивы к коррозии и износу. Они подходят для поверхностей с высоким износом. Алюминий 7075 устойчив к необратимой деформации. Он хорошо подходит для ударопрочных конструкций, таких как коленные суставы и тазобедренные суставы.
Выбор материалов для обеспечения длительного срока службы
Долговечность начинается с правильного материала. Но правильный материал зависит от области применения. Медицинские экзоскелеты должны быть биосовместимыми. Стандарт ISO 10993 охватывает безопасность при контакте с кожей. Промышленные экзоскелеты должны быть прочными. Военные экзоскелеты должны обладать и тем, и другим.
Кутикула учит нас наслаивать материалы. Каждый слой кутикулы выполняет свою функцию. Эпикутикула запечатывает. Экзокутикула затвердевает. Эндокутикула впитывает. Человеческий дизайн способен на то же самое. Гибридные многослойные конструкции сочетают в себе жесткие и гибкие слои. Жесткий слой несет нагрузку. Гибкий слой поглощает удары. Вместе они служат дольше, чем каждый из них по отдельности.
Испытания подтверждают правильность конструкции. Испытания статической нагрузкой проверяют максимальную прочность. Испытания динамической нагрузкой проверяют работу в реальных условиях. Испытания на перегрузку определяют запас прочности. Испытания на долговечность имитируют тысячи циклов. Ускоренные испытания на долговечность проверяют изменения температуры и влажности. Результаты этих испытаний используются для улучшения конструкции. С каждым этапом становится лучше.
Масштабируемость для обеспечения высоких объемов производства.
Отличный прототип ничего не значит, если его нельзя реализовать в больших масштабах. Объемы производства меняют все. Процесс, работающий для десяти единиц, терпит неудачу при десяти тысячах. Умные компании планируют масштабирование с самого первого дня.
Стратегии оснастки для больших объемов производства
Стратегия выбора оснастки зависит от размера партии. Для 10–100 единиц хорошо подходят 3D-печать и обработка на станках с ЧПУ. Затраты на оснастку остаются низкими. Итерации выполняются быстро. Для тысяч единиц предпочтительнее литье под давлением. Первоначальные затраты на оснастку высоки. Цены за единицу продукции резко снижаются. Для умеренных объемов производства композитное литье заполняет этот пробел.
Гибридное производство сочетает в себе все три подхода. 3D-печать обеспечивает индивидуальную настройку. Обработка на станках с ЧПУ гарантирует точность. Литье под давлением позволяет снизить себестоимость единицы продукции при больших объемах производства. Ключевым моментом является соответствие процесса размеру партии.
Кутикула преподносит заключительный урок. Природа создает экзоскелеты ракообразных слой за слоем. Каждый слой кутикулы добавляет функцию. Каждый слой кутикулы добавляет прочность. Этот процесс масштабируется от крошечных крабов до огромных омаров. Инженерные материалы могут следовать тому же пути. Начинаем с базовой структуры. Добавляем слои по мере необходимости. Масштабируем производство по мере роста спроса.
Компромиссы между ЧПУ-обработкой и литьем
Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает точность. Она позволяет обрабатывать сложные геометрические формы. Подходит для металлов и пластмасс. Но при больших объемах производства это медленный процесс. На изготовление каждой детали уходит время. Затраты на рабочую силу накапливаются.
Литье под давлением – это быстрый процесс. Он позволяет производить тысячи идентичных деталей. Но для этого требуется дорогостоящая оснастка. Изменения в конструкции обходятся дорого. Это имеет смысл только при больших объемах производства.
Выбор зависит от вашей ситуации. Для прототипов необходимы станки с ЧПУ. Для серийного производства — литье. Для многих проектов требуется и то, и другое. Начните с ЧПУ для проверки. Перейдите к литью для масштабирования. Переход требует планирования. Но он окупается.
Системы управления качеством поддерживают этот переход. ISO 13485:2016 охватывает качество медицинских изделий. ISO 14971 охватывает управление рисками. IEC 80601-2-78 охватывает медицинских роботов. Эти стандарты обеспечивают единообразие объемов производства. Они применимы независимо от того, производите ли вы десять структурных элементов экзоскелета или десять тысяч.
С практической точки зрения, NOBLE, ведущая китайская производственная компания, предлагает исключительные возможности обслуживания и профессиональный опыт в области механической обработки. Их команда помогает клиентам эффективно переходить от прототипа к серийному производству. Независимо от того, нужны ли вам обработанные алюминиевые рамы или изготовленные на заказ опоры из углеродного волокна, партнер с подходящим оборудованием имеет решающее значение.
| Рассмотрение дизайна | Оптимизация веса | Оптимизация усталостной долговечности | Оптимизация затрат на производство |
| Основные стратегии | Топологическая оптимизация, решетчатые структуры, легкие материалы | Выбор материалов на основе предела усталости, обработки поверхности. | Гибридное производство, подбирающее технологический процесс в соответствии с размером партии. |
| Ключевые механизмы | Плотность решетки регулируется в зависимости от локальных путей приложения нагрузки, сложные формы создаются с помощью 3D-печати. | Анодирование образует оксидный слой; дробеструйная обработка создает сжимающее напряжение. | 3D-печать для индивидуализации, механическая обработка для точности, формование для больших объемов. |
| Рекомендации по размеру партии | ARCXNUMX | ARCXNUMX | 10–100 единиц: 3D-печать и ЧПУ; тысячи: литье под давлением; средний объем: литье композитных материалов. |
| Указанные стандарты | ARCXNUMX | ISO 10993 по биосовместимости | ИСО 13485:2016, ИСО 14971, МЭК 80601-2-78. |
Наши возможности в компании NOBLE в области конструкционных элементов экзоскелетов.
Для создания отличного проекта нужен партнер, способный его воплотить в жизнь. В компании NOBLE мы производим металлические и пластиковые конструктивные элементы экзоскелетов, которые скрепляют их между собой. Наша команда может работать как над одним прототипом, так и над полномасштабным серийным производством.
Точность обработки для металлов и пластмасс
Мы выполняем резку металлов и конструкционных пластмасс с высокой точностью. В нашем цехе работают алюминиевые сплавы, такие как 6061 и 7075, титан марки Grade 5, нержавеющая сталь и PEEK. Для каждого материала подбирается правильная траектория движения инструмента и скорость резки.
5-осевая обработка с ЧПУ и Токарный станок с ЧПУ центры
Наши пятиосевые фрезерные станки обрабатывают сложные поверхности за одну установку. Это означает меньшее количество ошибок, связанных с перемещением детали, и лучшее качество поверхности. Мы поддерживаем линейные допуски до ±0.02 мм для стандартных работ. Для высокоточных задач мы можем обеспечить более жесткие допуски. Соосность может достигать 0.002 мм. Чистота поверхности варьируется от Ra 0.4 до 1.6 мкм. Токарные центры обрабатывают валы, штифты и конструктивные детали экзоскелетов суставов с той же повторяемостью.
Возможность работы со сложной геометрией
Отверстия под углом, глубокие пазы и органические выступы не представляют проблемы. Одна установка обрабатывает пять сторон заготовки одновременно. Это устраняет необходимость в сложных приспособлениях. Более короткие режущие инструменты уменьшают вибрацию и следы вибрации. В результате получается более чистая поверхность и меньше отходов. Это важно для конструктивных элементов экзоскелета, которые должны идеально подходить друг к другу под нагрузкой.
Сертифицированные системы управления качеством
Качество здесь не второстепенно. Оно заложено на каждом этапе. Мы следуем письменным процедурам и проверяем детали по CAD-модели на каждом этапе.
ISO 9001:2015 — стандарт общего качества.
Наша сертификация ISO 9001:2015 распространяется на все виды производственной деятельности. Она гарантирует стабильность процессов, отслеживаемость и постоянное совершенствование каждого заказа.
ISO 13485:2016 для медицинских экзоскелетов
В области медицинских экзоскелетов мы имеем сертификат ISO 13485:2016. Этот стандарт требует более строгого контроля за передачей конструкции, биосовместимостью и управлением рисками. Он дает производителям медицинских изделий уверенность в том, что их компоненты соответствуют нормативным требованиям.
Полный спектр услуг: от проектирования до сборки.
Мы занимаемся не только резкой металла. Мы помогаем вам быстрее перейти от идеи к готовому изделию.
Инженерный анализ и проектирование с учетом технологичности производства
Наши инженеры проверяют ваши чертежи на технологичность изготовления. Они отмечают элементы, которые увеличивают стоимость или вызывают проблемы с накоплением допусков. Такая ранняя обратная связь позволяет сэкономить недели на доработках. Компания Parker Hannifin добилась аналогичных результатов, когда, используя автоматизированное составление смет и быстрое формование, сократила сроки изготовления экзоскелета Indego на один-два месяца.
Услуги по комплектации и окончательной сборке.
Мы можем изготовить все детали экзоскелета, обработанные на станках, для сборки узла и отправить их вместе. Мы также предлагаем окончательную сборку целых модулей шарниров или секций рамы. Это сокращает количество поставщиков и упрощает входной контроль.
С практической точки зрения, компания NOBLE предлагает исключительные возможности обслуживания и профессиональный опыт в области механической обработки. Наша команда помогает клиентам эффективно переходить от прототипа к серийному производству. Независимо от того, нужны ли вам обработанные алюминиевые рамы или изготовленные на заказ опоры из углеродного волокна, у нас есть оборудование и опыт для выполнения заказа.
Кутикула ракообразных образует прочные структуры. Ее слои работают как единая команда. Эта кутикула дает идеи для структурных элементов экзоскелета. Кутикула содержит хитин. Хитин в экзокутикуле защищает от износа. Хитин в эндокутикуле поглощает удары. Хитиновые волокна делают эти свойства возможными. Кутикула ракообразных демонстрирует, насколько изобретательна природа. Кутикула уравновешивает твердость с хитином. Хитин придает кутикуле прочность. Хитин в кутикуле действительно важен. Кутикула прокладывает путь для гибридных материалов. Экзоскелеты ракообразных показывают, что многослойные конструкции работают. Человеческие экзоскелеты копируют этот принцип. Современные экзоскелеты сочетают в себе аэрокосмические металлы и композиты. Кутикула учит нас балансу в дизайне. Кутикула может многому нас научить. Хитин в конструкционных материалах стремится к тем же целям. Хитин порождает новые дизайнерские идеи. Хитин — ключевой элемент. Он хорошо выполняет свою работу. Хорошие экзоскелеты требуют продуманного дизайна. Для создания таких экзоскелетов необходимы партнеры, как NOBLE. Мы предлагаем полную поддержку от начала до конца.
Часто задаваемые вопросы о конструктивных элементах экзоскелета
Какие материалы лучше всего подходят для изготовления конструктивных элементов экзоскелета?
Алюминий 7075 обеспечивает высокое соотношение прочности к весу. Титан устойчив к ржавчине и износу. Углеродное волокно снижает вес на 30-40 процентов. Кутикула вдохновляет на создание гибридных конструкций. Естественная кутикула обеспечивает баланс между весом и прочностью. Каждый материал подходит для различных задач, связанных с экзоскелетами.
Как кутикула ракообразных вдохновляет в дизайне?
Кутикула имеет слоистую структуру. Экзокутикула противостоит износу. Эндокутикула поглощает удары. Кутикула обеспечивает баланс твердости и прочности. Инженеры изучают эту кутикулу для создания легкой брони в экзоскелетах.
Какие производственные процессы создают структурные элементы экзоскелета?
Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает высокую точность изготовления металлических каркасов. 3D-печать позволяет создавать сложные формы. Контроль с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) проверяет каждую важную деталь. Выбор оптимального процесса зависит от размера партии и требуемой точности.
Как предотвратить усталость в суставах?
Выбирайте материалы с высоким пределом усталости. Используйте обработку поверхности, чтобы замедлить образование трещин. Структура Булигана в кутикуле перенаправляет трещины. Этот урок по работе с кутикулой помогает продлить срок службы суставов экзоскелета.
Какие стандарты качества применяются к медицинским экзоскелетам?
Стандарт ISO 13485:2016 регулирует качество медицинских изделий. Стандарт ISO 10993 касается безопасности при контакте с кожей. Стандарт IEC 80601-2-78 применяется к медицинским роботам. Эти стандарты обеспечивают безопасность и надежность.
Может ли 3D-печать заменить станки с ЧПУ?
Не совсем. 3D-печать позволяет быстро создавать сложные прототипы. ЧПУ обеспечивает более жесткие допуски для изготовления металлических конструктивных деталей экзоскелета. Каждый из этих процессов имеет свое место в производстве экзоскелетов.
Что кутикула говорит о послойном нанесении материалов?
Кутикула состоит из трех слоев. Эпикутикула запечатывает. Экзокутикула затвердевает. Эндокутикула впитывает. Каждый слой кутикулы выполняет одну функцию. Такой подход к кутикуле лежит в основе современных гибридных композитов.
