หุ่นยนต์สวมใส่ได้คืออุปกรณ์ที่ใช้พลังงานซึ่งคุณสวมใส่บนร่างกายเพื่อช่วยในการเคลื่อนไหว และจำเป็นต้องมีส่วนประกอบหลัก 5 ส่วน ได้แก่ เซ็นเซอร์ ตัวกระตุ้น ส่วนประกอบโครงสร้าง แหล่งจ่ายไฟ และระบบควบคุม ส่วนประกอบแต่ละส่วนของหุ่นยนต์สวมใส่ได้นั้นผลิตขึ้นด้วยวิธีการเฉพาะของตนเอง เซ็นเซอร์ผลิตโดยใช้กระบวนการโฟโตลิโทกราฟี ส่วนประกอบโครงสร้างขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC ตัวเรือนขึ้นรูปด้วยการฉีดขึ้นรูป ระบบควบคุมสร้างขึ้นด้วยการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และแหล่งจ่ายไฟต้องใช้การผลิตเซลล์แบตเตอรี่ คาดว่าตลาดสำหรับเทคโนโลยีสวมใส่ได้นี้จะเติบโตถึง 11,889.36 ล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2030 โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) ที่ 43.45% ลองนึกภาพโครงกระดูกภายนอกสำหรับอุตสาหกรรมหรือแขนขาเทียมอัจฉริยะ ส่วนประกอบของหุ่นยนต์สวมใส่ได้เหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อลดความตึงเครียดและฟื้นฟูการทำงาน มาดูกันว่าวัสดุและการผลิตทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นจริงได้อย่างไร
เซ็นเซอร์ในส่วนประกอบของหุ่นยนต์สวมใส่ได้
เซ็นเซอร์ทำหน้าที่อะไรบ้าง
เซ็นเซอร์ทำหน้าที่เสมือนระบบประสาทของหุ่นยนต์สวมใส่ได้ มันตรวจจับการเคลื่อนไหว แรง ตำแหน่ง และสัญญาณต่างๆ จากร่างกายของผู้ใช้และสภาพแวดล้อมโดยรอบ หากไม่มีเซ็นเซอร์ อุปกรณ์จะไม่รู้ว่าคุณกำลังเดิน ยกของ หรือยืนนิ่งอยู่
ลองนึกถึงโครงสร้างภายนอกที่ช่วยในการทำงานของร่างกาย (exoskeleton) มันต้องรู้ถึงมุมของสะโพก แรงที่คุณออกแรงยก และกิจกรรมทางไฟฟ้าในกล้ามเนื้อของคุณ ข้อมูลเหล่านั้นจะถูกส่งไปยังตัวควบคุม ซึ่งจะตัดสินใจว่าจะให้แรงบิดช่วยมากน้อยแค่ไหน หากการตรวจจับผิดพลาด หุ่นยนต์ก็จะทำงานต่อต้านคุณแทนที่จะช่วยเหลือคุณ
หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) เป็นตัวอย่างที่ดี IMU ผสมผสานเซ็นเซอร์วัดความเร่ง เซ็นเซอร์วัดการหมุนแบบ MEMS และอัลกอริธึมการรวมข้อมูล เพื่อให้ได้ข้อมูลการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและรองรับการควบคุมอัจฉริยะ สิ่งนี้ช่วยให้โครงสร้างภายนอกตอบสนองต่อสิ่งที่ผู้ใช้ต้องการและเข้ากับร่างกายได้อย่างเป็นธรรมชาติ ในโครงสร้างภายนอกแบบอ่อนนุ่ม IMU จะรวบรวมข้อมูลการเคลื่อนไหวแบบเรียลไทม์ เช่น มุม ความเร่งเชิงมุม และความเร็วเชิงมุม ซึ่งช่วยให้ระบบควบคุมสามารถจดจำภูมิประเทศและปรับโหมดการเคลื่อนไหวได้อย่างแม่นยำ
IMU ยังทำให้การวิเคราะห์การเดินสามารถทำได้นอกพื้นที่ในร่ม ซึ่งเป็นการแก้ปัญหาข้อจำกัดของระบบจับการเคลื่อนไหวแบบดั้งเดิม IMU ช่วยให้สามารถประเมินเจตนาในการเคลื่อนไหวของมนุษย์ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการควบคุมโครงกระดูกภายนอก ระบบ IMU แบบสวมใส่ได้ให้ข้อมูลอ้างอิงสำหรับกลยุทธ์การช่วยเหลือเพื่อให้บรรลุวิถีการเคลื่อนที่ที่ต้องการ IMU หลายตัวที่วางไว้บนส่วนต่างๆ ของร่างกายจะรวบรวมข้อมูลที่ซับซ้อน และด้วยการรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ต่างๆ จะสามารถประมาณการจลนศาสตร์และมุมข้อต่อได้
วิธีการผลิตเซ็นเซอร์
วิธีการผลิตอุปกรณ์เหล่านี้แตกต่างกันไปตามประเภทของเซ็นเซอร์ ไมโครเซ็นเซอร์ เช่น ไจโรสโคป MEMS ที่อยู่ภายใน IMU อาศัยกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีและการผลิต MEMS กระบวนการเหล่านี้สร้างโครงสร้างเชิงกลขนาดเล็กบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนทีละชั้นด้วยความแม่นยำที่น่าทึ่ง
เซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นและยืดได้ใช้วิธีการผลิตที่แตกต่างออกไป การพิมพ์สกรีนใช้หมึกนำไฟฟ้าเคลือบลงบนพื้นผิวพอลิเมอร์ ทำให้เกิดองค์ประกอบตรวจจับที่บางและโค้งงอได้ วิธีนี้เหมาะสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ที่เซ็นเซอร์ต้องแนบสนิทกับพื้นผิวโค้งของร่างกาย
จากนั้นโมดูลเซ็นเซอร์จะผ่านกระบวนการประกอบแบบหยิบและวาง เครื่องจักรจะวางชิ้นส่วนขนาดเล็กบนแผงวงจรด้วยความเร็วสูง และการบัดกรีแบบรีโฟลว์จะยึดชิ้นส่วนเหล่านั้นไว้ ในทางปฏิบัติ ขั้นตอนนี้เป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือมากกว่าขั้นตอนอื่นๆ เกือบทั้งหมด
บริษัทต่างๆ เช่น NOBLE ซึ่งเป็นบริษัทผู้ผลิตชั้นนำในประเทศจีน นำเสนอความสามารถในการให้บริการที่โดดเด่นและความเชี่ยวชาญด้านการผลิตชิ้นส่วนด้วยเครื่องจักรระดับมืออาชีพมาสู่ขั้นตอนนี้ พวกเขาช่วยให้ลูกค้าสามารถเปลี่ยนจากขั้นตอนการสร้างต้นแบบไปสู่การผลิตชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้จำนวนมากอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยลดระยะเวลาในการพัฒนาลงอย่างมาก
ประเภทเซ็นเซอร์ทั่วไป
เซ็นเซอร์หลายตระกูลปรากฏให้เห็นซ้ำแล้วซ้ำเล่าในหุ่นยนต์สวมใส่ได้ หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) ทำหน้าที่ติดตามการเคลื่อนไหว ตัวต้านทานที่ไวต่อแรงกดวัดแรงดันและแรงจับยึด เซ็นเซอร์อิเล็กโทรไมโอแกรม (EMG) อ่านกิจกรรมทางไฟฟ้าของกล้ามเนื้อเพื่อควบคุมแขนเทียม ตัวเข้ารหัสติดตามการหมุนของข้อต่อในแขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ EMG มีความสำคัญอย่างมากสำหรับแขนเทียมที่ใช้พลังงานจากกล้ามเนื้อ โปรดพิจารณาข้อกำหนดเหล่านี้:
| Specification | เซ็นเซอร์กล้ามเนื้อ Myoware | พัฒนาเซ็นเซอร์ EMG |
| SNR | 23.39 เดซิเบล | 32.95 เดซิเบล |
| ความไว | 0.159 V/N | 0.2943 V/N |
| เวลาเพิ่มขึ้น | ms 323 | ms 136 |
| ฤดูใบไม้ร่วง | ms 261 | ms 408 |
เซ็นเซอร์ EMG ที่พัฒนาขึ้นนี้แสดงค่า SNR ที่สูงกว่าถึง 1.4 เท่า และมีความไวสูงกว่า 45% เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์ EMG เชิงพาณิชย์ นอกจากนี้ เซ็นเซอร์ที่เสนอมายังให้ผลลัพธ์ตอบสนองเร็วกว่าเซ็นเซอร์เชิงพาณิชย์ถึง 57%
สำหรับการควบคุมแขนเทียม จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ EMG คุณภาพปานกลางที่มีเวลาตอบสนองน้อย (ต่ำกว่า 300 มิลลิวินาที) และใช้งานง่ายในระดับสูง
เกณฑ์เวลาตอบสนองนั้นอธิบายได้ว่าทำไมการเลือกเซ็นเซอร์จึงไม่ใช่แค่เรื่องความแม่นยำเท่านั้น ความเร็วและความใช้งานง่ายเป็นตัวตัดสินว่าผู้ใช้จะไว้ใจอุปกรณ์นั้นหรือไม่ อุปกรณ์สวมใส่ที่ตอบสนองช้าจะให้ความรู้สึกว่าใช้งานไม่ได้ แม้ว่าค่าที่วัดได้จะสมบูรณ์แบบก็ตาม
แอคทูเอเตอร์ในส่วนประกอบของหุ่นยนต์สวมใส่ได้
บทบาทของแอคทูเอเตอร์
ตัวขับเคลื่อนเปลี่ยนพลังงานให้เป็นการเคลื่อนไหว นั่นเป็นวิธีอธิบายที่ง่ายที่สุด ในหุ่นยนต์สวมใส่ได้ พวกมันทำงานเหมือนกล้ามเนื้อ พวกมันใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวที่ช่วยให้คุณยก เดิน หรือจับสิ่งของได้
อุปกรณ์ขับเคลื่อนส่วนใหญ่เริ่มต้นด้วยมอเตอร์ มอเตอร์หมุนเร็ว แต่แรงบิดไม่มาก ระบบขับเคลื่อนและเกียร์ทดรอบช่วยแก้ปัญหานั้นได้ พวกมันช่วยลดความเร็วในการหมุนและเพิ่มแรง จากนั้นระบบส่งกำลังจะส่งแรงนั้นไปยังข้อต่อหรือส่วนปลายของอุปกรณ์ การทำงานทั้งหมดมีความสำคัญ เกียร์ทดรอบที่อ่อนแอจะทำให้มอเตอร์ที่ทรงพลังเสียเปล่า
แอคทูเอเตอร์แบบยืดหยุ่นอนุกรมจะเพิ่มสปริงระหว่างมอเตอร์และโหลด การออกแบบนี้ให้ความทนทานต่อแรงกระแทกตามธรรมชาติและความยืดหยุ่นที่ปลอดภัย ซึ่งมีความสำคัญต่อปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ในโครงสร้างภายนอกเพื่อการฟื้นฟู สปริงจะรับแรงกระแทกฉับพลันแทนที่จะส่งผ่านไปยังร่างกายของคุณ
ผลประโยชน์จะปรากฏให้เห็นได้ชัดเจนในการใช้งานจริง:
- การปฏิสัมพันธ์ระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์แบบโปร่งใสช่วยลดต้นทุนการเผาผลาญพลังงานระหว่างการเดินขณะแบกน้ำหนักได้ 10-15%
- การควบคุมแรงที่สามารถย้อนกลับได้ช่วยในการฟื้นตัวจากโรคหลอดเลือดสมอง ดังที่แสดงในโครงสร้างภายนอก H2
- การออกแบบที่มีความต้านทานแปรผันช่วยเพิ่มความสามารถในการปรับตัวสำหรับผู้สูงอายุที่มีกล้ามเนื้ออ่อนแรง
ตัวเลขเหล่านี้มาจากงานวิจัยด้านการฟื้นฟูสมรรถภาพ แสดงให้เห็นว่าการปฏิบัติตามคำแนะนำไม่ใช่แค่สิ่งที่ดีเพิ่มเติมเท่านั้น แต่ยังเป็นปัจจัยด้านความปลอดภัยอีกด้วย
วิธีการผลิตแอคทูเอเตอร์
การผลิตแอคชูเอเตอร์เป็นกระบวนการหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนต้องการค่าความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดมาก ความผิดพลาดเล็กน้อยในขั้นตอนเดียวอาจทำให้ชิ้นส่วนทั้งหมดเสียหายได้
ขั้นตอนแรกคือการขึ้นรูปตัวเรือนมอเตอร์ด้วยเครื่อง CNC ตัวเรือนต้องยึดสเตเตอร์และโรเตอร์ให้อยู่ในแนวเดียวกันอย่างสมบูรณ์ การโยกเยกใดๆ จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเสียงดัง ขั้นตอนต่อไปคือการพันขดลวด เครื่องจักรจะพันลวดทองแดงรอบแกนสเตเตอร์ด้วยแรงดึงที่แม่นยำ ขดลวดที่หลวมจะสูญเสียพลังงานไปเป็นความร้อน ขดลวดที่แน่นเกินไปอาจทำให้ลวดขาดได้
ขั้นตอนต่อไปคือการประกอบแม่เหล็ก แม่เหล็กถาวรจะถูกใส่เข้าไปในโรเตอร์โดยจัดวางตำแหน่งอย่างแม่นยำ ทิศทางของแม่เหล็กจะเป็นตัวกำหนดค่าคงที่แรงบิดของมอเตอร์ จากนั้นจึงทำการตัดเฟืองเพื่อสร้างเฟืองทดรอบ เครื่องจักรตัดเฟืองจะตัดฟันเฟืองให้เข้ากันอย่างราบรื่น เฟืองที่ตัดไม่ดีจะสึกหรอเร็วและสูญเสียประสิทธิภาพ
การติดตั้งตัวเข้ารหัส (encoder) ช่วยให้การประกอบเสร็จสมบูรณ์ ตัวเข้ารหัสจะติดตามตำแหน่งและความเร็วของมอเตอร์ และส่งข้อมูลนั้นกลับไปยังตัวควบคุม หากไม่มีตัวเข้ารหัส ตัวขับเคลื่อนจะไม่สามารถเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่กำหนดได้ วงจรควบคุมขึ้นอยู่กับข้อมูลป้อนกลับนี้
จากมุมมองเชิงปฏิบัติ ทุกขั้นตอนในห่วงโซ่นี้ส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวม มอเตอร์ที่ดีแต่เกียร์ไม่ดีก็ทำงานได้ไม่ดี ผู้ผลิตจึงต้องควบคุมคุณภาพในทุกขั้นตอน
แอคทูเอเตอร์แบบอ่อนและแบบนิวแมติก
ไม่ใช่ว่าหุ่นยนต์สวมใส่ได้ทุกตัวจะใช้มอเตอร์และเฟืองที่แข็งทื่อเสมอไป หุ่นยนต์แบบอ่อนนุ่ม (Soft robotics) เลือกใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป ระบบเหล่านี้ใช้แอคทูเอเตอร์แบบอ่อนนุ่ม ผ้า และวัสดุที่ยืดหยุ่นได้ พวกมันจะโค้งงอและยืดหยุ่นไปพร้อมกับร่างกาย แทนที่จะต่อต้านมัน
หุ่นยนต์อ่อนนุ่มเปลี่ยนวิธีคิดของวิศวกรเกี่ยวกับการขับเคลื่อน แทนที่จะใช้มอเตอร์ที่ข้อต่อแต่ละจุด หุ่นยนต์อ่อนนุ่มใช้แรงดันอากาศหรือของเหลว กล้ามเนื้อเทียมแบบใช้ลมเป็นตัวอย่างที่พบได้ทั่วไป กล้ามเนื้อเหล่านี้จะหดตัวเมื่ออากาศเข้าไปในถุงลมภายในปลอกถัก ปลอกถักจะบังคับให้ถุงลมหดและขยายตัว การเคลื่อนไหวนี้เลียนแบบกล้ามเนื้อจริง
การผลิตแอคทูเอเตอร์เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการขึ้นรูปและการประกอบ โดยใช้ซิลิโคนหรือยางใส่ลงในแม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปเป็นถุงลม จากนั้นจึงหุ้มด้วยปลอกถัก และเชื่อมชั้นต่างๆ เข้าด้วยกันโดยใช้กาวหรือความร้อน แอคทูเอเตอร์ที่เสร็จสมบูรณ์จะมีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นได้
หุ่นยนต์อ่อนนุ่มมีข้อดีที่ชัดเจนสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ วัสดุเหล่านี้สามารถปรับให้เข้ากับสรีระของร่างกาย ลดจุดกดทับ และดูดซับแรงกระแทกได้ดีกว่าชิ้นส่วนแข็ง สำหรับหุ่นยนต์สวมใส่ที่ช่วยผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมองหรือคนงานในโรงงาน ความสะดวกสบายเป็นปัจจัยสำคัญที่จะตัดสินว่าผู้คนจะใช้งานจริงหรือไม่
หุ่นยนต์อ่อนนุ่มก็มีข้อเสียอยู่บ้าง ตัวขับเคลื่อนเหล่านี้สร้างแรงได้น้อยกว่ามอเตอร์ ต้องใช้ท่อลมหรือปั๊ม ซึ่งทำให้มีขนาดใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม หุ่นยนต์อ่อนนุ่มยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่องในด้านการฟื้นฟูและอุปกรณ์ช่วยเหลือ สาขาหุ่นยนต์อ่อนนุ่มยังคงดึงดูดเงินทุนวิจัยอย่างต่อเนื่อง ในอนาคต หุ่นยนต์อ่อนนุ่มอาจเข้ามาแทนที่ตัวขับเคลื่อนแบบแข็งในแอปพลิเคชันแบบสวมใส่ได้หลายอย่าง หุ่นยนต์อ่อนนุ่มแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในวิธีการที่วิศวกรใช้ในการสร้างเครื่องจักรที่เป็นมิตรกับมนุษย์ อนาคตของหุ่นยนต์อ่อนนุ่มดูสดใสสำหรับเทคโนโลยีแบบสวมใส่ได้
ส่วนประกอบโครงสร้างของชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้
หน้าที่ขององค์ประกอบโครงสร้าง
ชิ้นส่วนโครงสร้างเป็นส่วนที่ให้รูปทรงและความแข็งแรงแก่หุ่นยนต์สวมใส่ได้ ชิ้นส่วนเหล่านี้รับน้ำหนัก ยึดส่วนประกอบอื่นๆ ไว้ และกระจายแรงไปยังจุดที่เหมาะสมบนร่างกาย ลองนึกภาพว่าเป็นเหมือนโครงกระดูก หากไม่มีโครงสร้างที่แข็งแรง เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ก็จะไม่สามารถยึดติดได้
รายการชิ้นส่วนโครงสร้างนั้นยาวกว่าที่หลายคนคิด ประกอบด้วย ฐาน ตัวเครื่อง โครง เฟรม ส่วนปลายแขน และอุปกรณ์ป้อนข้อมูล ฐานและเฟรมประกอบกันเป็นแพลตฟอร์มหลัก โครงเชื่อมต่อข้อต่อและส่วนต่างๆ ส่วนปลายแขนคือส่วนที่สัมผัสกับผู้ใช้หรือสิ่งแวดล้อม เช่น ที่จับหรือแผ่นรองเท้า อุปกรณ์ป้อนข้อมูล เช่น ปุ่มหรือจอยสติ๊ก ก็จำเป็นต้องติดตั้งบนโครงสร้างเช่นกัน
การผลิตชิ้นส่วนโครงสร้าง
การผลิตชิ้นส่วนโลหะแผ่นนั้นใช้สำหรับโครงสร้างและตัวถังส่วนใหญ่ การตัดด้วยเลเซอร์จะขึ้นรูปโลหะแผ่นเรียบด้วยความแม่นยำสูง จากนั้นเครื่องดัดจะพับโลหะให้เป็นรูปทรงสามมิติ การเชื่อมจะเชื่อมชิ้นส่วนเข้าด้วยกันให้เป็นชิ้นเดียวที่แข็งแรง กระบวนการนี้ใช้ได้ผลดีกับชิ้นส่วนขนาดกลางถึงขนาดใหญ่
การผลิตชิ้นส่วนด้วยเครื่อง CNC เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูง ชิ้นส่วนยึดข้อต่อ ที่นั่งแบริ่ง และแผ่นยึดต่างๆ ต้องการความคลาดเคลื่อนที่แคบ เครื่องกัดหรือเครื่องกลึง CNC จะตัดโลหะให้ได้ขนาดที่แม่นยำ ส่วนการฉีดขึ้นรูปใช้สำหรับผลิตฝาครอบและตัวเรือนโพลีเมอร์ พลาสติกหลอมเหลวจะไหลเข้าไปในแม่พิมพ์เหล็ก รอให้เย็นตัวลง แล้วจึงหลุดออกมาเป็นเปลือกสำเร็จรูป วิธีนี้เหมาะสำหรับการผลิตฝาครอบและตัวเรือนในปริมาณมาก
วัสดุสำหรับโครงสร้าง
การเลือกใช้วัสดุมีผลต่อ น้ำหนัก ความแข็งแรง และต้นทุน ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบวัสดุที่นิยมใช้กัน:
| วัสดุ | คุณสมบัติที่สำคัญ | การใช้งานทั่วไป |
| โลหะผสมอลูมิเนียม | น้ำหนักเบา แข็งแรง และง่ายต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร | เฟรม,วงเล็บ |
| ไทเทเนียม | มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง | ข้อต่อรับน้ำหนัก |
| คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ | แข็งมาก เบามาก | อาวุธ, การเชื่อมโยง |
| พลาสติกวิศวกรรม | ราคาถูก ยืดหยุ่น และเป็นฉนวนกันความร้อน | ที่อยู่อาศัย, ฝาครอบ |
โลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้หลายประเภท สามารถขึ้นรูปได้รวดเร็วและทนต่อการกัดกร่อน ไทเทเนียมมีราคาสูงกว่า แต่มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม เหมาะสำหรับข้อต่อที่รับน้ำหนักมาก วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ให้ความแข็งแกร่งที่ยอดเยี่ยมในขณะที่มีน้ำหนักเบา ซึ่งสำคัญสำหรับข้อต่อแขนที่แกว่งไปมาตลอดทั้งวัน พลาสติกวิศวกรรมเป็นตัวเลือกสุดท้ายสำหรับตัวเรือนและชิ้นส่วนที่ไม่รับน้ำหนัก
การเลือกวัสดุที่เหมาะสมนั้นเป็นเรื่องที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ โครงสร้างที่หนักเกินไปจะให้ความรู้สึกแข็งแรง แต่จะทำให้ผู้ใช้เหนื่อยล้า ในขณะที่โครงสร้างที่เบาเกินไปอาจงอได้ง่ายเมื่อรับน้ำหนัก การตัดสินใจที่ดีในการผลิตในขั้นตอนนี้จะเป็นตัวกำหนดว่าอุปกรณ์สวมใส่ที่ได้นั้นจะให้ความรู้สึกเหมือนเป็นเครื่องมือหรือเป็นภาระ
ระบบควบคุมในส่วนประกอบของหุ่นยนต์สวมใส่ได้
สมองของหุ่นยนต์
ระบบควบคุมทำงานเหมือนสมองของหุ่นยนต์สวมใส่ได้ มันรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ทั้งหมด วิเคราะห์ว่าต้องทำอะไรต่อไป และสั่งการให้ตัวขับเคลื่อนทำงาน วงจรนี้เกิดขึ้นหลายครั้งต่อวินาที หากช้าเกินไป ผู้ใช้จะรู้สึกว่าหุ่นยนต์เคลื่อนไหวอย่างกระตุก
ระบบประกอบด้วยส่วนหลักสี่ส่วน ตัวควบคุมคือหน่วยประมวลผลที่ทำหน้าที่ประมวลผลตรรกะ หน่วยควบคุมประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและการปรับสภาพสัญญาณ ซอฟต์แวร์สั่งการให้ฮาร์ดแวร์ปฏิบัติตามกฎต่างๆ อินเทอร์เฟซอุปกรณ์ป้อนข้อมูลเชื่อมต่อปุ่มกด จอยสติ๊ก หรือแอปพลิเคชันบนโทรศัพท์เข้ากับแผงวงจรหลัก เมื่อรวมกันแล้ว ส่วนประกอบเหล่านี้จะแปลงสัญญาณดิบให้เป็นการเคลื่อนไหวที่ราบรื่นและปลอดภัย
ฮาร์ดแวร์ควบคุมการผลิต
การสร้างแผงควบคุมเริ่มต้นด้วยการทำแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) โดยการกัดเส้นทองแดงลงบนแผ่นไฟเบอร์กลาส จากนั้นแผ่นวงจรจะถูกส่งไปยังกระบวนการประกอบด้วยเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) เครื่องจักรจะวางชิปขนาดเล็กบนแผ่นวงจร และใช้การบัดกรีแบบรีโฟลว์เพื่อยึดชิปเหล่านั้นให้อยู่กับที่
เทคโนโลยี SMT มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับวงจรแบบยืดหยุ่นในหุ่นยนต์อ่อนนุ่ม จำนวนรูทะลุและจุดบัดกรีที่น้อยลงหมายถึงจุดที่อาจเกิดความเสียหายได้น้อยลง
นอกจากนี้ การมีรูทะลุและจุดบัดกรีน้อยลงยังทำให้หุ่นยนต์มีความน่าเชื่อถือมากขึ้น เมื่อมีจุดเชื่อมต่อน้อยลง โอกาสที่จะเกิดความผิดพลาดก็จะน้อยลงเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าระบบหุ่นยนต์สามารถทำงานได้นานขึ้นโดยไม่ต้องซ่อมแซม
หลังจากประกอบชิ้นส่วนแล้ว จะมีการติดตั้งไมโครคอนโทรลเลอร์และชิปต่างๆ จากนั้นจึงปิดผนึกแผงวงจรในเคสเพื่อป้องกันฝุ่น เหงื่อ และแรงกระแทก ขั้นตอนนี้เป็นตัวตัดสินว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นสามารถทนต่อการใช้งานในชีวิตประจำวันได้หรือไม่
ซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์
เฟิร์มแวร์คือโค้ดที่จัดเก็บอยู่ในไมโครคอนโทรลเลอร์ ทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลจากเซ็นเซอร์ต่างๆ โดยดึงข้อมูลจาก IMU, เซ็นเซอร์วัดแรง และตัวเข้ารหัสมารวมไว้ในกระแสข้อมูลเดียว การรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ (Sensor Fusion) จะนำข้อมูลเหล่านั้นมารวมกันเป็นภาพที่ชัดเจนของการเคลื่อนไหวของผู้ใช้
จากนั้นอัลกอริธึมควบคุมแบบเรียลไทม์จะใช้ภาพนั้นในการคำนวณแรงบิดที่แต่ละแอคทูเอเตอร์ควรส่งออกมา วงจรควบคุมต้องทำงานให้เสร็จเร็ว มิฉะนั้นหุ่นยนต์จะตามหลังผู้ใช้ เฟิร์มแวร์ที่ดีควรจัดการกับการตรวจสอบความปลอดภัยด้วย เช่น การตัดไฟเมื่อเกิดปัญหาขึ้น
ในมุมมองเชิงปฏิบัติ ซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์จำเป็นต้องทำงานร่วมกัน บอร์ดที่ดีแต่เฟิร์มแวร์ไม่ดีก็ยังรู้สึกเหมือนใช้งานไม่ได้ วิศวกรจึงทดสอบทั้งสองส่วนเป็นระบบเดียวกันก่อนที่จะส่งหุ่นยนต์สวมใส่ได้ออกสู่ตลาด
กระบวนการผลิตชิ้นส่วนสำหรับหุ่นยนต์สวมใส่ได้
การผลิตแบบหักลบ
วิธีการตัดเฉือนแบบลบวัสดุออกจากบล็อกแข็งจนได้รูปทรงสุดท้าย การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในกลุ่มนี้ เครื่องมือหมุนตัดโลหะด้วยความแม่นยำสูง และเครื่องจักร 5 แกนสามารถเข้าถึงมุมที่เครื่องจักร 3 แกนทำไม่ได้ สำหรับข้อต่อโครงสร้างภายนอกที่ทำจากอลูมิเนียม การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC 5 แกนจะได้ผิวสำเร็จที่มีค่า Ra 0.2 µm ในขณะที่การตัดเฉือนโลหะผสมอลูมิเนียมทั่วไปมักได้ค่า Ra 0.8 µm ความแตกต่างนี้มีความสำคัญเมื่อชิ้นส่วนต่างๆ เลื่อนไปมาหรือรับน้ำหนักมาก
การตัดด้วยเลเซอร์และการตัดด้วยน้ำแรงดันสูงเหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่เป็นแผ่นเรียบและแผ่นโลหะ แต่ละวิธีมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันสำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้ ลองดูว่าทั้งสองวิธีเปรียบเทียบกันอย่างไรสำหรับวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์:
| คุณลักษณะ | เครื่องตัดเลเซอร์ | การตัดด้วยระบบวอเตอร์เจ็ท |
| Kerf กว้าง | ร่องตัดแคบ | ร่องตัดกว้างกว่าเลเซอร์ |
| คุณภาพขอบ | ขอบคม เหลี่ยมคม บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็ก | ขอบเรียบลื่นดุจผ้าซาติน ไม่มีบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน |
| ความเหมาะสมของคาร์บอนไฟเบอร์ | ไม่แนะนำให้ใช้ — มีควันพิษ | แนะนำ — การกัดเซาะจากความเย็นไม่ทำให้โครงสร้างเสียหาย |
การตัดด้วยเลเซอร์ให้ความแม่นยำที่เหนือกว่าสำหรับแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์บางๆ ที่มีความหนาน้อยกว่า 5 มม. กระบวนการแบบไม่สัมผัสช่วยลดการสึกหรอของเครื่องมือ อย่างไรก็ตาม ความเสียหายจากความร้อนเป็นความเสี่ยง การตั้งค่าที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้พันธะเรซินอ่อนลง การตัดด้วยน้ำแรงดันสูงนั้นยอดเยี่ยมสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์หนาๆ ที่มีความหนามากกว่า 10 มม. โดยไม่เกิดการบิดเบี้ยวจากความร้อน กระแสน้ำที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสามารถจัดการกับวัสดุคอมโพสิตหลายชั้นได้อย่างสมบูรณ์แบบ ข้อเสียคือความเร็วที่ต่ำกว่าและค่าบำรุงรักษาที่สูงขึ้นจากการสึกหรอของหัวฉีด แผ่นบางๆ เหมาะกับการตัดด้วยเลเซอร์ แผ่นหนาๆ เหมาะกับการตัดด้วยน้ำแรงดันสูง รูปทรงที่เรียบง่ายสามารถใช้ได้กับทั้งสองแบบ ส่วนรูปทรงโค้งสามมิติจำเป็นต้องใช้เครื่อง CNC
การผลิตแบบเติม
การพิมพ์ 3 มิติ สร้างชิ้นส่วนทีละชั้นจากไฟล์ดิจิทัล กระบวนการนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างต้นแบบและการผลิตชิ้นส่วนตามสั่ง FDM ดันพลาสติกหลอมเหลวผ่านหัวฉีด มีราคาถูกและรวดเร็ว เหมาะสำหรับการตรวจสอบการออกแบบในระยะเริ่มต้น SLA ใช้เลเซอร์ในการทำให้เรซินเหลวแข็งตัว ทำให้ได้พื้นผิวที่เรียบเนียนและรายละเอียดที่ละเอียดกว่า SLS หลอมผงด้วยเลเซอร์ สร้างชิ้นส่วนที่แข็งแรงโดยไม่ต้องใช้โครงสร้างรองรับ
สำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้ การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ช่วยลดระยะเวลาในการผลิตลงอย่างมาก เบ้าขาเทียมแบบสั่งทำพิเศษที่เคยใช้เวลาหลายสัปดาห์ในการผลิต ตอนนี้สามารถพิมพ์ได้ภายในไม่กี่วัน วิศวกรสามารถพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้เร็วขึ้นเพราะได้สัมผัสชิ้นส่วนจริงเร็วขึ้น วัสดุที่ใช้มีตั้งแต่ PLA พื้นฐาน ไปจนถึงไนลอนเกรดวิศวกรรม และเส้นใยเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ แต่ละตัวเลือกมีความสมดุลระหว่างความแข็งแรง น้ำหนัก และต้นทุนที่แตกต่างกัน
กระบวนการก่อร่างสร้างตัวและการรวมกลุ่ม
วิธีการขึ้นรูปวัสดุโดยไม่ต้องตัดออก การฉีดขึ้นรูปใช้แรงดันพลาสติกหลอมเหลวเข้าไปในแม่พิมพ์เหล็ก จากนั้นพลาสติกจะเย็นตัวลงและหลุดออกมาเป็นชิ้นงานสำเร็จรูป กระบวนการนี้เหมาะสำหรับการผลิตตัวเรือนและฝาครอบจำนวนมาก ส่วนการขึ้นรูปด้วยความร้อนจะให้ความร้อนแก่แผ่นพลาสติกจนอ่อนตัวลง แล้วดึงให้คลุมแม่พิมพ์ วิธีนี้ใช้ได้ผลดีกับชิ้นส่วนขนาดใหญ่และบาง เช่น เปลือกหมวกกันน็อคหรือแผงตัวถังรถยนต์
กระบวนการเชื่อมต่อช่วยยึดชิ้นส่วนต่างๆ เข้าด้วยกัน การเชื่อมเป็นการหลอมรวมชิ้นส่วนโลหะด้วยความร้อนหรือแรงดัน การยึดติดด้วยกาวใช้พันธะเคมีในการเชื่อมต่อพื้นผิว กาวช่วยกระจายแรงกดอย่างสม่ำเสมอและใช้ได้กับวัสดุที่แตกต่างกัน แขนคาร์บอนไฟเบอร์ที่ยึดติดกับโครงอะลูมิเนียมจะได้รับประโยชน์จากวิธีการนี้ วิธีการเชื่อมต่อที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับประเภทของแรงกด วัสดุที่ใช้ และสภาพแวดล้อม จากมุมมองในทางปฏิบัติ กระบวนการผลิตที่ดีที่สุดสำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้มักจะผสมผสานหลายวิธีเข้าด้วยกันในการประกอบชิ้นเดียว
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้
น้ำหนัก ความสบาย และหลักสรีรศาสตร์
หุ่นยนต์สวมใส่ที่หนักเกินไปไม่เป็นประโยชน์กับใครเลย คนก็จะเลิกสวมใส่ไปเอง น้ำหนักทุกกรัมมีความสำคัญตลอดการทำงานแปดชั่วโมง วิศวกรจึงเลือกใช้วัสดุที่มีน้ำหนักเบา เช่น อะลูมิเนียมและคาร์บอนไฟเบอร์ และลดปริมาณวัสดุที่ไม่จำเป็น ความสบายขึ้นอยู่กับว่าอุปกรณ์นั้นพอดีกับร่างกายของคุณอย่างไร สายรัดต้องมีแผ่นรอง ข้อต่อต้องสอดคล้องกับการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของคุณ การสวมใส่ที่ไม่พอดีจะทำให้เกิดการเสียดสีและเจ็บปวด
มาตรฐานด้านสรีรศาสตร์ช่วยให้การออกแบบเหมาะสมยิ่งขึ้น ISO 11228 กำหนดกฎเกณฑ์สำหรับการยกและการเคลื่อนย้าย โดยบอกให้ผู้ออกแบบทราบว่าน้ำหนักเท่าใดจึงปลอดภัย และท่าทางมือแบบใดเหมาะสมที่สุด ตัวอย่างเช่น แนะนำให้จับให้แน่นด้วยข้อมือที่อยู่ในตำแหน่งที่เป็นกลาง และเตือนไม่ให้ใช้มุมที่มากเกินไป ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการออกแบบโครงสร้างรองรับแขนภายนอก อีกมาตรฐานหนึ่งคือ ISO 11226 ครอบคลุมท่าทางการทำงานแบบคงที่ โดยให้กฎเกณฑ์สำหรับการออกแบบที่คนงานต้องยืนนิ่งเป็นเวลานาน สำหรับโครงสร้างรองรับข้อมือในโรงงาน กฎเกณฑ์เกี่ยวกับการยกและการวางท่าทางแบบคงที่เหล่านี้เป็นแนวทางที่มีประโยชน์ที่สุด
กฎเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรตัดสินใจได้ว่าควรเพิ่มส่วนรองรับตรงไหนบ้าง และควรปล่อยให้ส่วนไหนเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ การออกแบบที่ดีจะช่วยให้คุณงอตัวได้อย่างเป็นธรรมชาติในขณะที่หุ่นยนต์รับน้ำหนักอยู่
ความทนทานและความปลอดภัย
ชิ้นส่วนหุ่นยนต์ต้องเผชิญกับเหงื่อ ฝุ่น และแรงกดซ้ำๆ ชิ้นส่วนที่แตกหักหลังจากใช้งานเพียงหนึ่งสัปดาห์ก็ไร้ประโยชน์ ความทนทานเริ่มต้นจากการเลือกวัสดุที่เหมาะสม โลหะต้องทนต่อสนิม พลาสติกต้องทนต่อแรงกระแทก การจัดการความร้อนก็มีความสำคัญเช่นกัน มอเตอร์จะร้อนขึ้นระหว่างการใช้งาน หากความร้อนสะสม ชิ้นส่วนอาจเสียหายหรือผู้ใช้อาจถูกไฟไหม้ นักออกแบบจึงเพิ่มช่องระบายอากาศหรือแผ่นระบายความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิลง
มาตรฐานความปลอดภัยกำหนดเกณฑ์สำหรับสิ่งที่ยอมรับได้ ISO 13482 ครอบคลุมหุ่นยนต์ดูแลส่วนบุคคล ซึ่งรวมถึงหุ่นยนต์รับใช้เคลื่อนที่ หุ่นยนต์ช่วยเหลือทางกายภาพ (ซึ่งรวมถึงโครงกระดูกภายนอก) และหุ่นยนต์พาบุคคล สำหรับโครงกระดูกภายนอก มาตรฐานนี้กำหนดคุณสมบัติเฉพาะที่แบ่งออกเป็นสามประเภท:
- การออกแบบเชิงกลที่ปลอดภัยโดยธรรมชาติ — การป้องกันจุดหนีบ ความยืดหยุ่นของพื้นผิว และความเสถียร
- ความปลอดภัยและการควบคุมเชิงฟังก์ชัน — ระบบหยุดฉุกเฉิน การควบคุมความเร็ว การจำกัดแรง/แรงบิด และการตรวจจับสภาพแวดล้อม
- พฤติกรรมที่คาดเดาได้และควบคุมได้ — สัญญาณแสดงเจตนาที่ชัดเจน ปุ่มหยุดฉุกเฉินที่เข้าถึงได้ง่าย และการลดระดับอย่างนุ่มนวล
ข้อกำหนดเหล่านี้ผลักดันให้นักออกแบบคิดถึงสิ่งที่อาจผิดพลาดได้ เซ็นเซอร์เสีย แบตเตอรี่หมดระหว่างการยก หุ่นยนต์ต้องสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยแม้เกิดข้อผิดพลาด การปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้จะเปิดตลาดและสร้างความไว้วางใจ
การออกแบบเพื่อลดการบาดเจ็บ
เป้าหมายหลักของโครงสร้างภายนอกที่แข็งแรง (Exoskeleton) คือการลดการบาดเจ็บ ในโรงงาน คนงานมักปวดหลังจากการยกของหนัก โครงสร้างภายนอกเหล่านี้จะช่วยพยุงกระดูกสันหลังและรับน้ำหนักบางส่วน ในสถานที่ก่อสร้าง การทำงานเหนือศีรษะทำให้เกิดแรงกดดันต่อไหล่ อุปกรณ์พยุงแขนจะช่วยรับน้ำหนัก โดยการกระจายแรงออกจากร่างกายของผู้ใช้ อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยป้องกันความเสียหายของกล้ามเนื้อและกระดูกก่อนที่จะเกิดขึ้น
อุปกรณ์ทางการแพทย์ก็ใช้หลักการเดียวกัน โครงสร้างภายนอกที่ช่วยฟื้นฟูสมรรถภาพช่วยให้ผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมองสามารถเดินได้อีกครั้ง แต่ก็ต้องปกป้องพวกเขาจากการหกล้มด้วย เซ็นเซอร์จะตรวจจับเมื่อผู้ป่วยทรงตัวไม่อยู่ ระบบควบคุมจะตัดกระแสไฟหรือปรับการรองรับ นักออกแบบเพิ่มวัสดุรองรับที่จุดสัมผัส พวกเขาออกแบบโครงสร้างเพื่อหลีกเลี่ยงแรงกดบนกระดูก ทุกรายละเอียดมีเป้าหมายเพื่อรักษา ไม่ใช่ทำร้าย
การออกแบบที่ดีไม่ได้เป็นเพียงแค่การสนับสนุนผู้ใช้เท่านั้น แต่ยังช่วยปกป้องผู้ใช้ด้วย อุปกรณ์ที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมจะให้ความรู้สึกเป็นธรรมชาติ คุณเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ และหุ่นยนต์จะช่วยเหลือโดยไม่เกะกะ การออกแบบที่ไม่ดีจะสร้างความเสี่ยงใหม่ๆ เช่น การหนีบหรือความร้อนสูงเกินไป นั่นคือเหตุผลที่มาตรฐานมีความสำคัญ และการทดสอบมีความสำคัญอย่างยิ่ง เมื่อวิศวกรออกแบบได้อย่างถูกต้อง เครื่องจักรเหล่านี้จะทำให้งานที่อันตรายปลอดภัยยิ่งขึ้น และช่วยให้ผู้คนฟื้นตัวจากอาการบาดเจ็บได้เร็วขึ้น
วัสดุสำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้
โลหะและโลหะผสม
โลหะเป็นวัสดุหลักที่ใช้ในชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้ส่วนใหญ่ โลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับโครงและตัวยึด เนื่องจากมีน้ำหนักเบา แข็งแรง และขึ้นรูปได้ง่าย ไทเทเนียมมีราคาสูงกว่า แต่ด้วยอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูง ทำให้เหมาะสำหรับข้อต่อรับน้ำหนัก เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นอีกตัวเลือกหนึ่ง เนื่องจากทนทานต่อสนิมและทนต่อแรงเค้นสูง ซึ่งเหมาะสำหรับหมุดและตัวยึดโครงสร้าง
การเลือกโลหะที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะงาน โครงสร้างภายนอกสำหรับข้อสะโพกต้องการความแข็งแรงโดยไม่เพิ่มน้ำหนัก อะลูมิเนียมตอบโจทย์นั้นได้ดี ข้อเข่าที่ต้องรับแรงกระแทกซ้ำๆ อาจต้องใช้ไทเทเนียม เหล็กกล้าไร้สนิมเหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องเผชิญกับเหงื่อและสภาพอากาศ โลหะแต่ละชนิดมีสมดุลของน้ำหนัก ความแข็งแรง และต้นทุนที่แตกต่างกัน
พอลิเมอร์และวัสดุผสม
พลาสติกและวัสดุผสมครอบคลุมทุกอย่างตั้งแต่ตัวเรือนไปจนถึงข้อต่อแขนกล ABS เป็นพลาสติกวิศวกรรมอเนกประสงค์ มีความแข็งแรงทนทานต่อแรงกระแทกได้ดี ขึ้นรูปง่าย และรับสีและสารเคลือบได้ดี ทำให้เป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับตัวเรือนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและกล่องหุ้มอุปกรณ์ โพลีคาร์บอเนต (PC) มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูงกว่า นอกจากนี้ยังมีความคงตัวของขนาดและความใสในระดับธรรมชาติ และยังมีเกรดที่ทนต่อรังสียูวีสำหรับการใช้งานกลางแจ้งอีกด้วย
| พลาสติก | ความต้านทานการกระแทก |
| เอบีเอส | จุดสูง |
| โพลีคาร์บอเนต (PC) | สูงมาก |
วัสดุผสม PC/ABS ให้ความทนทานต่อแรงกระแทกที่ดีขึ้นและแปรรูปได้ง่ายกว่า PC ที่ไม่มีสารเติมแต่ง สำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้นั้น สิ่งนี้สำคัญมาก เนื่องจากฝาครอบต้องทนต่อการตกกระแทกและการสึกหรอในชีวิตประจำวัน วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ให้ความแข็งแกร่งที่ยอดเยี่ยมในขณะที่มีน้ำหนักเบา ไฟเบอร์กลาสมีราคาถูกกว่าแต่ยังคงให้ความแข็งแรง ไนลอนเหมาะสำหรับเฟืองและชิ้นส่วนที่สึกหรอ วัสดุเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรลดน้ำหนักได้โดยไม่ลดทอนความทนทาน
วัสดุอัจฉริยะและฟังก์ชันการใช้งาน
วัสดุอัจฉริยะสามารถเปลี่ยนรูปร่างหรือคุณสมบัติได้เมื่อถูกกระตุ้น โลหะผสมที่จดจำรูปร่างได้จะกลับคืนสู่รูปทรงเดิมเมื่อได้รับความร้อน ทำให้มีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์ขับเคลื่อนขนาดกะทัดรัด วัสดุเพียโซอิเล็กทริกจะสร้างประจุเมื่อถูกบีบ และยังสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้า วัสดุเหล่านี้สนับสนุนการตรวจจับและการเคลื่อนไหวในพื้นที่แคบๆ
สิ่งทอที่นำไฟฟ้าได้ทำให้หุ่นยนต์อ่อนนุ่มมีชีวิตชีวาขึ้นมา พวกมันส่งสัญญาณและพลังงานผ่านเนื้อผ้า ทำให้หุ่นยนต์อ่อนนุ่มสามารถโค้งงอและยืดหยุ่นไปพร้อมกับร่างกายได้ หุ่นยนต์อ่อนนุ่มอาศัยวัสดุที่ยืดหยุ่นเหล่านี้เพื่อให้สวมใส่สบาย นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการตรวจจับแรงกดอีกด้วย หุ่นยนต์อ่อนนุ่มได้รับประโยชน์จากผ้าที่นำไฟฟ้าได้โดยไม่รู้สึกแข็งกระด้าง หุ่นยนต์อ่อนนุ่มยังคงนำวัสดุอัจฉริยะใหม่ๆ มาใช้ทุกปี นักวิจัยด้านหุ่นยนต์อ่อนนุ่มกำลังทดสอบสิ่งทอที่นำไฟฟ้าได้สำหรับการเคลื่อนไหวคล้ายกล้ามเนื้อ ในอนาคต หุ่นยนต์อ่อนนุ่มอาจเข้ามาแทนที่ชิ้นส่วนแข็งๆ ในอุปกรณ์สวมใส่ได้หลายชนิด หุ่นยนต์อ่อนนุ่มปรากฏให้เห็นแล้วในถุงมือฟื้นฟูและชุดช่วยเหลือ หุ่นยนต์อ่อนนุ่มแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในวิธีการที่วิศวกรสร้างเครื่องจักรที่เป็นมิตรกับมนุษย์
การประยุกต์ใช้งานส่วนประกอบหุ่นยนต์สวมใส่ได้
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมและการผลิต
ปัจจุบันโรงงานต่างๆ ใช้ชิ้นส่วนหุ่นยนต์แบบสวมใส่ได้ในชีวิตประจำวัน พนักงานสวมโครงสร้างภายนอกก่อนเริ่มงานกะยาวในสายการผลิต อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยพยุงหลัง ไหล่ และขาในระหว่างการทำงานที่ซ้ำซากจำเจ หุ่นยนต์แบบสวมใส่ได้ในอุตสาหกรรมไม่ได้เข้ามาแทนที่คนงาน แต่ช่วยแบ่งเบาภาระทางกายภาพแทน
บริษัทผลิตรถยนต์เริ่มใช้เทคโนโลยีเหล่านี้มาตั้งแต่เนิ่นๆ คนงานประกอบชิ้นส่วนที่ต้องยกแขนขึ้นเหนือศีรษะเป็นเวลานานจะใช้โครงสร้างภายนอกช่วยพยุงแขน อุปกรณ์นี้จะช่วยรับน้ำหนักของเครื่องมือ ทำให้กล้ามเนื้อไหล่ได้พักผ่อน คนงานด้านโลจิสติกส์ที่ต้องยกกล่องทั้งวันจะสวมชุดช่วยพยุงหลัง การใช้งานเหล่านี้ช่วยลดความเหนื่อยล้าและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของคนงานในระหว่างกะทำงาน ชิ้นส่วนเดียวกันนี้ยังพบได้ในงานก่อสร้าง การเกษตร และการจัดเก็บ แต่ละงานต้องการส่วนผสมของเซ็นเซอร์ ตัวกระตุ้น และโครงสร้างที่แตกต่างกัน
การใช้งานทางการแพทย์และการฟื้นฟูสมรรถภาพ
แพทย์และนักกายภาพบำบัดใช้ชิ้นส่วนหุ่นยนต์แบบสวมใส่ได้ในหลายวิธีที่มีประสิทธิภาพ หุ่นยนต์ทางการแพทย์แบบสวมใส่ได้ช่วยให้ผู้ป่วยเดินได้อีกครั้งหลังจากเป็นโรคหลอดเลือดสมองหรือได้รับบาดเจ็บที่ไขสันหลัง โครงสร้างภายนอกที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานจะช่วยนำทางขาให้เดินได้อย่างเป็นธรรมชาติ อุปกรณ์ฟื้นฟูสมรรถภาพเช่นนี้ช่วยให้นักกายภาพบำบัดมุ่งเน้นไปที่ความก้าวหน้าแทนที่จะต้องคอยประคองผู้ป่วย แขนขาเทียมที่มีข้อต่อที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานช่วยให้ผู้ที่ถูกตัดแขนขาสามารถจับและทรงตัวได้อีกครั้ง หุ่นยนต์ช่วยในการผ่าตัดก็ใช้เทคโนโลยีเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์แบบเดียวกันนี้ด้วย
ผลการศึกษาจากคลินิกต่างๆ สนับสนุนข้อสรุปนี้ ในการศึกษาหนึ่งพบว่า หลังจากผู้ป่วยเป็นโรคหลอดเลือดสมอง 7 ใน 9 รายที่ใช้โครงสร้างภายนอกช่วยพยุงการเดิน สามารถเดินได้ดีขึ้น โดยสามารถทำคะแนนการทดสอบการเดินได้ถึงระดับ 2-4 ในขณะที่ผู้ป่วย 6 ใน 8 รายที่ไม่ได้ใช้โครงสร้างภายนอกช่วยพยุงการเดิน ยังคงอยู่ในระดับต่ำสุด (0-1) คะแนนคุณภาพชีวิตสูงกว่ามากในกลุ่มที่ใช้โครงสร้างภายนอกช่วยพยุงการเดิน โดยมีคะแนนเฉลี่ย 0.767 เมื่อเทียบกับ 0.434 ในกลุ่มอื่น และไม่มีเหตุการณ์ร้ายแรงเกิดขึ้น
ผู้ใช้ให้คะแนนด้านความปลอดภัยและความสะดวกสบายอยู่ที่ 4.5 จาก 5 คะแนน ซึ่งบางส่วนยังคงบ่นเรื่องน้ำหนักและอายุการใช้งาน คำติชมเหล่านั้นเป็นแรงผลักดันให้วิศวกรพัฒนาทุกส่วนให้ดียิ่งขึ้นต่อไป
แอปพลิเคชันที่ช่วยเพิ่มความปลอดภัยในการทำงาน
ประโยชน์ที่สำคัญที่สุดของเครื่องจักรเหล่านี้คือการทำให้คนงานปลอดภัยยิ่งขึ้น การบาดเจ็บที่หลัง ไหล่ และข้อต่อสึกหรอเป็นปัญหาที่พบในงานที่ต้องใช้แรงกายอย่างหนัก การบาดเจ็บของกล้ามเนื้อและกระดูกทำให้บริษัทต่างๆ สูญเสียเงินหลายพันล้านดอลลาร์ในแต่ละปีจากเวลาที่สูญเสียไป ชิ้นส่วนหุ่นยนต์แบบสวมใส่ได้จะกระจายแรงจากร่างกายไปยังโครงสร้าง การเปลี่ยนแปลงง่ายๆ นี้ช่วยป้องกันความเสียหายก่อนที่จะเกิดขึ้น
การรองรับท่าทางที่ดีมีความสำคัญที่สุดในระหว่างการยกของซ้ำๆ โครงสร้างภายนอกช่วยรักษากระดูกสันหลังให้อยู่ในแนวโค้งที่ปลอดภัยและกระจายน้ำหนัก พนักงานจึงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและสามารถกลับบ้านได้โดยไม่ปวดเมื่อย จากมุมมองในทางปฏิบัติ ความปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานไม่ได้เป็นสิ่งที่ตรงกันข้าม แต่เติบโตไปด้วยกัน เทคโนโลยีหุ่นยนต์อ่อนนุ่มเพิ่มอีกชั้นหนึ่งโดยทำให้ชุดเหล่านี้เบาและสวมใส่สบายยิ่งขึ้น เทคโนโลยีหุ่นยนต์อ่อนนุ่มช่วยให้ตัวอุปกรณ์โค้งงอไปตามร่างกายแทนที่จะต่อต้าน การใช้งานที่ขยายตัวในด้านการดูแลสุขภาพ การจัดเก็บ และการผลิตยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่องเนื่องจากเทคโนโลยีดีขึ้นเรื่อยๆ
NOBLE: การผลิตชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้
ทักษะในการแปรรูปโลหะและพลาสติก
NOBLE เป็นที่รู้จักในด้านการทำงานกับโลหะและพลาสติก และความเชี่ยวชาญนี้เหมาะสมอย่างยิ่งกับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้ เฟรม ตัวยึด และส่วนเชื่อมต่อต่างๆ จำเป็นต้องมีขนาดที่แม่นยำและพื้นผิวเรียบเนียนทุกครั้ง บริษัทฯ ดำเนินการตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC งานโลหะแผ่น และการฉีดขึ้นรูปทั้งหมดในที่เดียว การผสมผสานนี้ครอบคลุมถึงเฟรมอลูมิเนียม ข้อต่อไทเทเนียม และฝาครอบพลาสติก โดยไม่ต้องส่งงานไปยังโรงงานอื่น
การใช้พันธมิตรรายเดียวสำหรับทั้งงานโลหะและพลาสติกช่วยประหยัดเวลา หากการออกแบบชิ้นส่วนยึดเปลี่ยนไป คุณไม่จำเป็นต้องหาซัพพลายเออร์ใหม่ วิศวกรแก้ไขไฟล์ CAD และโรงงานก็ผลิตเวอร์ชันใหม่ สำหรับอุปกรณ์สวมใส่ที่ต้องผ่านการทดสอบหลายรุ่น ความเร็วนี้มีความสำคัญมาก
การรับรองและคุณภาพ
ระบบคุณภาพแสดงให้เห็นว่าผู้ผลิตรายใดจริงจังและรายใดไม่จริงจัง NOBLE ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO 9001:2015 และ ISO 13485:2016 ซึ่งมาตรฐานหลังมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผู้ผลิตผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์หรือผลิตภัณฑ์ดูแลสุขภาพ
การรับรองมาตรฐาน ISO 13485 แสดงให้เห็นถึงความมุ่งมั่นในการรักษาระดับมาตรฐานสูงสุดด้านคุณภาพ ความปลอดภัย และความถูกต้องตามกฎหมายในการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์
ความมุ่งมั่นนั้นจะส่งผลดีอย่างแท้จริง ซัพพลายเออร์ที่ได้รับการรับรองมักจะได้รับ:
- ได้รับการรับรองให้เป็นซัพพลายเออร์ที่น่าเชื่อถือจากบริษัทอุปกรณ์ทางการแพทย์รายใหญ่
- ราคาสูงขึ้นเพราะลูกค้ามีขั้นตอนการตรวจสอบน้อยลง
- จำนวนการตรวจสอบจากลูกค้าลดลง เนื่องจากใบรับรอง ISO ตรงตามข้อกำหนดการตรวจสอบหลายประการแล้ว
- ช่วยให้ลูกค้าใหม่ลงทะเบียนอุปกรณ์ทางการแพทย์ได้รวดเร็วยิ่งขึ้น
บริษัทรับจ้างผลิตอุปกรณ์ปลอดเชื้อแห่งหนึ่งได้รับมาตรฐาน ISO 13485 และลดระยะเวลาการอนุมัติจากลูกค้าจาก 12 เดือนเหลือ 4 เดือน การตรวจสอบลดลงจากปีละ 4 ครั้งเหลือปีละ 1 ครั้ง มูลค่าสัญญาเพิ่มขึ้น 25% จากการวางตำแหน่งทางการตลาดที่ดีขึ้น และบริษัทได้เข้าสู่ตลาดในยุโรปที่เคยดูเหมือนปิดกั้น ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าระบบคุณภาพที่แข็งแกร่งสามารถทำอะไรได้บ้างสำหรับโครงการหุ่นยนต์สวมใส่ได้
บริการครบวงจร ตั้งแต่การออกแบบจนถึงการประกอบ
NOBLE ไม่ได้แค่ควบคุมเครื่องจักรเท่านั้น ทีมงานยังให้ความช่วยเหลือตลอดเส้นทาง ตั้งแต่การออกแบบไปจนถึงการประกอบ เริ่มต้นด้วยการให้ข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการออกแบบเพื่อการผลิต วิศวกรจะชี้ให้เห็นถึงส่วนประกอบที่ยากต่อการขึ้นรูปหรือผลิตด้วยเครื่องจักร ก่อนที่จะเริ่มตัดแม่พิมพ์ จากนั้นจึงทำการสร้างแบบจำลองทดสอบ ตามด้วยแม่พิมพ์สำหรับการผลิต และสุดท้ายคือการประกอบและการทดสอบขั้นสุดท้าย
วิธีการแบบครบวงจรนี้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์สวมใส่ได้ เพราะชิ้นส่วนเหล่านี้ทำงานร่วมกัน ตัวยึดเซ็นเซอร์ต้องอยู่ในแนวเดียวกับโครงสร้าง ตัวเรือนต้องมีพื้นที่สำหรับตัวขับเคลื่อน เมื่อทีมเดียวจัดการทุกขั้นตอน การเชื่อมต่อเหล่านั้นจะได้รับการตรวจสอบตั้งแต่เนิ่นๆ ผู้อ่านที่มีโครงการในใจสามารถติดต่อ NOBLE และเริ่มต้นพูดคุยได้
หุ่นยนต์สวมใส่ได้ต้องการส่วนประกอบหลัก 5 ส่วน ได้แก่ เซ็นเซอร์ ตัวกระตุ้น ส่วนประกอบโครงสร้าง แหล่งจ่ายไฟ และระบบควบคุม การพิมพ์ภาพด้วยแสง (Photolithography) สร้างเซ็นเซอร์ MEMS ขนาดเล็ก การพันขดลวดและการตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC สร้างตัวกระตุ้น การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC ยังใช้ในการขึ้นรูปโครงสร้าง การฉีดขึ้นรูปพลาสติกสร้างตัวเรือน การประกอบ PCB สร้างแผงควบคุม การผลิตแบตเตอรี่ให้พลังงานแก่ตัวอุปกรณ์ทั้งหมด วัสดุเช่นคาร์บอนไฟเบอร์ช่วยลดน้ำหนักโดยไม่สูญเสียความแข็งแรง การออกแบบที่ดีช่วยลดการบาดเจ็บและทำให้คนงานปลอดภัยในระหว่างการทำงานที่ยาวนาน การผลิตขั้นสูงผลักดันหุ่นยนต์สวมใส่ได้ให้ก้าวหน้าด้วยวัสดุและวิธีการที่ดีขึ้นทุกปี หากคุณมีโครงการหุ่นยนต์สวมใส่ได้ NOBLE พร้อมให้การสนับสนุนอย่างเต็มที่ตั้งแต่การออกแบบจนถึงการประกอบ
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับส่วนประกอบของหุ่นยนต์สวมใส่ได้
ส่วนประกอบหลักของหุ่นยนต์สวมใส่ได้มีอะไรบ้าง?
อุปกรณ์เกือบทุกชนิดแบ่งออกเป็น 5 หมวดหมู่หลัก ได้แก่ เซ็นเซอร์ ตัวกระตุ้น ชิ้นส่วนโครงสร้าง แหล่งจ่ายไฟ และระบบควบคุม เซ็นเซอร์ทำหน้าที่อ่านการเคลื่อนไหวและแรง ตัวกระตุ้นสร้างการเคลื่อนไหว ชิ้นส่วนโครงสร้างทำหน้าที่ยึดทุกอย่างเข้าด้วยกัน แหล่งจ่ายไฟทำหน้าที่จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และระบบควบคุมเชื่อมโยงทุกอย่างเข้าด้วยกันและตัดสินใจว่าจะเกิดอะไรขึ้นต่อไป
กระบวนการผลิตใดที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนแต่ละชิ้น?
ส่วนประกอบแต่ละชิ้นของหุ่นยนต์สวมใส่ได้นั้นมีกระบวนการผลิตเฉพาะของตนเอง การพิมพ์ภาพด้วยแสงและการผลิต MEMS ใช้ในการสร้างไมโครเซนเซอร์ การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC และการพันขดลวดเพื่อขึ้นรูปแอคทูเอเตอร์ การทำงานกับแผ่นโลหะและการฉีดขึ้นรูปเพื่อสร้างโครงและตัวเรือน การประกอบ PCB สร้างแผงควบคุม การผลิตเซลล์แบตเตอรี่สร้างแหล่งจ่ายไฟ
เหตุใดเซ็นเซอร์จึงมีความสำคัญอย่างมากในหุ่นยนต์สวมใส่ได้?
เซ็นเซอร์จะบอกหุ่นยนต์ว่าร่างกายของคุณกำลังทำอะไรอยู่ IMU จะติดตามมุมของข้อต่อ ตัวต้านทานที่ไวต่อแรงจะวัดแรงจับ เซ็นเซอร์ EMG จะอ่านสัญญาณกล้ามเนื้อ หากการตรวจจับผิดพลาด อุปกรณ์จะต่อต้านคุณแทนที่จะช่วยเหลือ เวลาตอบสนองก็สำคัญเช่นกัน การควบคุมแขนเทียมต้องมีการอ่านค่าต่ำกว่า 300 มิลลิวินาทีเพื่อให้รู้สึกเป็นธรรมชาติ
แอคทูเอเตอร์แบบแข็งและแบบอ่อนต่างกันอย่างไร?
แอคทูเอเตอร์แบบแข็งใช้มอเตอร์ เฟือง และระบบส่งกำลัง ให้แรงสูงและควบคุมได้อย่างแม่นยำ ส่วนแอคทูเอเตอร์แบบอ่อนใช้แรงดันอากาศ ผ้า และวัสดุที่ยืดหยุ่นได้ จึงโค้งงอไปตามร่างกายและดูดซับแรงกระแทกได้ดีกว่า ข้อเสียคือแรงที่ได้จะต่ำกว่า และมักต้องใช้ปั๊มหรือท่อลมช่วย
วัสดุชนิดใดเหมาะสมที่สุดสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้าง?
ขึ้นอยู่กับลักษณะงาน โลหะผสมอะลูมิเนียมมีน้ำหนักเบาและขึ้นรูปง่าย จึงเหมาะสำหรับโครงและตัวยึด ไทเทเนียมมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง เหมาะสำหรับข้อต่อรับน้ำหนัก วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแกร่งแต่มีน้ำหนักเบา พลาสติกวิศวกรรมเหมาะสำหรับทำตัวเรือนและฝาครอบในราคาประหยัด
หุ่นยนต์สวมใส่ได้ต้องเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยหรือไม่?
ใช่ และกฎระเบียบก็ขึ้นอยู่กับการใช้งาน มาตรฐาน ISO 13482 ครอบคลุมหุ่นยนต์ดูแลส่วนบุคคล รวมถึงโครงกระดูกภายนอก (exoskeletons) โดยกำหนดให้มีระบบป้องกันจุดหนีบ ระบบหยุดฉุกเฉิน และขีดจำกัดแรง ส่วนมาตรฐาน ISO 11228 และ ISO 11226 เป็นแนวทางในการออกแบบตามหลักสรีรศาสตร์สำหรับการยกและการอยู่ในท่าทางคงที่ การปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้จะสร้างความน่าเชื่อถือและเปิดตลาดใหม่
การพิมพ์ 3 มิติสามารถใช้แทนการผลิตชิ้นส่วนด้วยเครื่อง CNC ได้หรือไม่?
ไม่ทั้งหมด การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) นั้นยอดเยี่ยมสำหรับการสร้างต้นแบบและงานสั่งทำพิเศษ เบ้าขาเทียมแบบสั่งทำพิเศษที่เคยใช้เวลาหลายสัปดาห์ ตอนนี้สามารถพิมพ์ได้ภายในไม่กี่วัน แต่โครงและข้อต่อสำหรับการผลิตจำนวนมากยังคงต้องใช้เครื่องจักร CNC เพื่อให้ได้ความคลาดเคลื่อนที่แม่นยำและพื้นผิวที่เรียบเนียน การผลิตส่วนใหญ่จะผสมผสานทั้งสองวิธีเข้าด้วยกัน รวมถึงการฉีดขึ้นรูปสำหรับตัวเรือนที่ผลิตในปริมาณมาก
ฉันจะเลือกพันธมิตรด้านการผลิตได้อย่างไร?
มองหาบริษัทที่ให้บริการแปรรูปโลหะและพลาสติกในที่เดียวกัน เนื่องจากโครง ข้อต่อ และตัวเรือนต่างๆ ต้องประกอบเข้าด้วยกัน ตรวจสอบใบรับรองคุณภาพ — ISO 9001:2015 ครอบคลุมคุณภาพทั่วไป และ ISO 13485:2016 มีความสำคัญสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ พันธมิตรที่ดูแลเรื่องการให้ข้อเสนอแนะด้านการออกแบบ การสร้างต้นแบบ และการประกอบขั้นสุดท้าย จะช่วยประหยัดเวลาและตรวจพบปัญหาเรื่องความพอดีได้ตั้งแต่เนิ่นๆ
