Exoesqueletos fabricados individualmente em robótica de reabilitação (com estojo)

peças de robô exoesqueleto usinadas

Nos últimos anos, pesquisas foram conduzidas na produção de robôs exoesqueletos. Isto deve-se principalmente ao aumento da procura em diversas áreas, por ex. B. a indústria médica. Devido às diferentes funções desses exoesqueletos robóticos, existe um grande mercado consumidor para atender diferentes necessidades e utilizações.

Este artigo apresenta considerações de projeto para atender aos requisitos de robôs exoesqueletos e analisa a fabricação de peças de robôs exoesqueletos. Vamos começar.

O que são robôs exoesqueletos?

Primeiro, vamos aprender o que é um exoesqueleto robótico. Os robôs exoesqueletos foram originalmente desenvolvidos na década de 1960 para soldados feridos e desde então têm sido usados ​​em vários tipos de robótica médica, efeitos de filmes e aplicações militares para apoiar e fortalecer o corpo humano.

Considerando os requisitos desses robôs vestíveis em diferentes campos, eles são classificados em métodos de acionamento ativo e passivo. Por um lado, os métodos de propulsão ativa com exoesqueletos utilizam atuadores que convertem energia hidráulica, pneumática ou elétrica em energia mecânica para o usuário. Por outro lado, os exoesqueletos passivos apoiam o usuário e oferecem-lhe uma ajuda flexível.

Por esta razão, existe atualmente uma grande procura por estes versáteis robôs exoesqueletos, especialmente devido ao seu suporte flexível, precisão e capacidade de lidar com diferentes requisitos.

robô exoesqueleto assistido

Como os robôs exoesqueletos são usados ​​na reabilitação médica?

Os exoesqueletos médicos são uma aplicação importante para robôs de reabilitação. Esses robôs exoesqueletos normalmente fornecem tratamentos de reabilitação e ajudam os pacientes a recuperar a mobilidade. Hoje em dia, as tecnologias de fabricação de robôs com exoesqueletos médicos têm feito grandes avanços. Eles fornecem cuidados de suporte a pessoas com lesões e deficiências para ajudá-las a se recuperar mais rapidamente.

Além disso, esses robôs de exoesqueleto médico assistido são divididos em tipos aumentativos e reabilitativos que apoiam as pessoas com esses auxiliares de mobilidade vestíveis. O processo aumentativo ajuda os pacientes a realizar tarefas com eficiência e os alivia do esforço. Em contraste, os exoesqueletos de reabilitação, normalmente utilizados em sessões de fisioterapia, promovem a recuperação.

Robôs exoesqueletos para extremidades inferiores e superiores

Os exoesqueletos médicos também podem ser divididos em exoesqueletos de extremidades superiores (ombros, braços, costas) e exoesqueletos de extremidades inferiores (pernas, tornozelos, pés). Desta forma, podem ser facilmente utilizados em sessões de fisioterapia ou em casa, auxiliando os pacientes na continuidade do treinamento e reduzindo o nível de suporte quando se observa melhora.

Considerações de projeto para exoesqueletos robóticos

A produção de robôs exoesqueletos requer pesquisa e consideração contínuas nas fases de projeto e teste. Portabilidade, flexibilidade, adaptabilidade e leveza são fatores-chave no design do exoesqueleto. Portanto, algumas considerações importantes de design são levadas em consideração ao desenvolver e personalizar um robô exoesqueleto. Alguns deles estão listados abaixo:

Considere a ergonomia

Para que os exoesqueletos robóticos funcionem, as articulações artificiais são alinhadas com as articulações humanas. Com isto em mente, os projetistas devem garantir que a amplitude de movimento da articulação artificial seja consistente com as articulações humanas para evitar dor durante cargas de pressão. A amplitude total da articulação humana deve ser garantida com alterações mecânicas mínimas. Isso garante que a força aplicada esteja dentro da faixa que os membros humanos podem suportar e garante um design ergonômico do exoesqueleto.

Peças para exoesqueletos de reabilitação

Transmissão de energia

O corpo humano possui uma cinemática complexa, com múltiplos graus de liberdade (DOF) em cada articulação. Para superar isso, os projetistas estão procurando formas alternativas de transmitir energia e permitir a transmissão através de dispositivos mecânicos baseados em ligação. Estas correntes cinemáticas baseadas em elos, feitas de materiais de diferentes durezas, aumentam a força de transmissão, reduzem o tamanho do atuador, permitindo assim uma transmissão de potência segura e confortável.

Em exoesqueletos robóticos rígidos, as estruturas mecânicas são alinhadas com cada junta e utilizam um acionamento direto ou sistema de engrenagens. Isso permite que os atuadores sejam montados próximos à estrutura, tornando-os portáteis. Já os exoesqueletos macios são feitos de materiais flexíveis e têm o formato de uma luva leve que transmite força diretamente aos dedos. Dispositivos acionados por tendões, músculos artificiais e estruturas flexíveis e sem articulações são usados ​​para transmitir força.

robô de exoesqueleto médico

Calibração e tamanhos

Como os robôs exoesqueletos são generalizados e nem todos os usuários em potencial têm o mesmo tamanho de membros, alguns usuários correm o risco de posicionamento incorreto ou operação inadequada, o que pode afetar os tratamentos de reabilitação. Além disso, deve-se garantir que o uso de um exoesqueleto robô seja indolor. Desta forma, os dispositivos robóticos de exoesqueleto requerem uma faixa de ajuste aceitável para diferentes tamanhos de membros.

Portanto, ao projetar o exoesqueleto, é importante que ele permita uma gama máxima de tamanhos de membros e não cause lesões secundárias aos usuários. Para conseguir isso, sistemas como batentes mecânicos, limites de força ou limites de rotação devem ser utilizados para evitar amplitude de movimento excessiva.

Materiais leves

Para garantir a operação confortável dos exoesqueletos, é importante que as peças do robô exoesqueleto utilizem materiais leves que aliviem a carga do usuário e melhorem a portabilidade. Os projetistas devem tomar cuidado para minimizar o tamanho e o peso dos componentes mecânicos.

Para tanto, exoesqueletos macios (feitos de materiais como o silicone) são confortáveis ​​devido à ausência de estruturas “rígidas”. Além disso, para materiais rígidos, um robô com exoesqueleto de alumínio é a escolha preferida. Devido ao seu peso leve e durabilidade, bem como à sua alta resistência ao estresse, é um material metálico preferido para elementos estruturais mecânicos utilizados na produção de robôs exoesqueletos.

Produção rápida de robôs exoesqueletos: como funciona a fabricação sob demanda?

Para alcançar ciclos de desenvolvimento mais curtos, é importante otimizar o processo de fabricação de componentes exoesqueletos de robôs. Abaixo estão alguns processos e métodos para garantir que os robôs exoesqueletos cheguem rapidamente ao mercado.

Iterações de design flexíveis

Para atender aos requisitos de fabricação de exoesqueletos robóticos, é importante garantir iterações de design flexíveis. Isso contribui para o projeto e fabricação precisos e eficientes de exoesqueletos, permitindo a otimização. A fabricação sob demanda permite, portanto, a customização, produzindo protótipos e peças de exoesqueletos robóticos para clientes com diferentes necessidades, garantindo prazos de entrega curtos.

exoesqueleto robótico personalizado

Produção rápida

A produção rápida com usinagem personalizada permite a produção de peças robóticas de exoesqueleto eficientes e econômicas, permitindo um tempo de lançamento no mercado mais rápido. Ao produzir componentes de exoesqueleto de baixo custo, é mais fácil conquistar um mercado maior de usuários. Isto é particularmente importante para exoesqueletos robóticos de reabilitação. Como não há quantidade mínima de pedido exigida, uma produção mais rápida e flexível pode ser realizada.

Simplifique o processo de desenvolvimento

As soluções de fabricação sob demanda permitem que você transforme rapidamente suas ideias em realidade. Eles ajudam a simplificar os processos de desenvolvimento de robôs exoesqueletos. Eles também contribuem significativamente para a redução dos custos de produção ao utilizar menos recursos, tornando o robô exoesqueleto mais acessível aos consumidores. Isso permite pedidos flexíveis que atendem às necessidades do usuário.

Além disso, a produção sob demanda otimiza o tempo de entrega dos produtos. A eficiência e a produtividade também são mantidas sob controle, reduzindo erros e garantindo a entrega de produtos finais de alta qualidade.

Editando exoesqueleto

Opções de edição abrangentes

Para facilitar o desenvolvimento sob demanda, são implantados recursos de produção rápida que executam vários processos e permitem o processamento em um único local. Usando robôs de usinagem CNC, impressão 3D, processamento de chapas metálicas, técnicas de acabamento de superfície, etc., você pode realizar com eficiência seus projetos de robô exoesqueleto, desde o protótipo até a produção. Essas tecnologias avançadas garantem precisão e exatidão nas peças personalizadas do exoesqueleto, garantindo entrega de alta qualidade ao usuário.

Estudo de caso sobre peças robóticas de exoesqueleto personalizadas

A procura de exoesqueletos médicos para fins de reabilitação e aumento está a aumentar. Isso inclui exoesqueletos para extremidades superiores e inferiores. Ambos os robôs exoesqueletos produzidos consistem em várias peças, a maioria das quais usinadas. Gostaríamos de apresentar um case sobre a produção de peças de um exoesqueleto para reabilitação de membros superiores.

Como as peças usinadas atendem ao mecanismo do exoesqueleto?

O mecanismo do ombro é um módulo do exoesqueleto para reabilitação dos membros superiores. É leve e compacto e garante a máxima amplitude de movimento da articulação do ombro humano, o que por sua vez impulsiona a rotação das articulações do ombro e torna móvel a concha das áreas grandes e pequenas do braço. Nesta seção, nos concentramos na usinagem de dois componentes típicos de exoesqueleto de robô, ou seja, suportes e carcaças de estator de exoesqueleto feitos sob medida.

Estator do exoesqueleto e peças da carcaça

Montagem do estator usinado

A montagem do estator é uma peça-chave fixa e estacionária em um motor elétrico. É usado para criar um campo magnético rotativo quando uma corrente alternada passa por ele. Este campo magnético induzido cria uma tensão que faz com que o rotor gire.

Neste caso, o material utilizado para o suporte do estator é o AL6061-T6 com propriedades mecânicas leves e robustas. A precisão é importante durante a usinagem porque o estator está integrado a outras partes do exoesqueleto. Algumas preocupações ao editar esta parte estão listadas abaixo:

Como o estator está posicionado junto com outras peças, ele deve ser manuseado com cuidado durante a usinagem. Ao editar, os três pontos a seguir devem ser considerados cuidadosamente.

Montagem de estator de exoesqueleto

  • (1) Como precisa ser posicionado e montado com outras partes do exoesqueleto, o tamanho e a tolerância de posição dos 12 furos marcados em vermelho na imagem são cruciais.
  • (2) A espessura da parede no ponto indicado pela seta vermelha é de apenas 2 mm e existe o risco de deformação da peça de montagem do estator devido à pressão da ferramenta de fresagem durante a usinagem.
  • (3) A superfície amarela entra em contato com uma parte mais sensível. Portanto, a superfície tratada deve ser o mais lisa possível. Uma rugosidade superficial de Ra0,8 deve ser alcançada.

Processo de usinagem do suporte do estator

Usamos fresadoras de 3, 4 e 5 eixos para usinar essas peças.

Etapas de processamento para o suporte do estator

  • Primeiro, a frente é fresada e depois a estrutura oca fresada é preenchida com gesso. Após o endurecimento, a frente é fresada e retorna ao seu estado original.
  • Em seguida, usamos uma máquina de 3 eixos para fresar a parte traseira da mesma forma que a frontal. Após a fresagem, retiramos o gesso preenchido no primeiro processo. É assim que obtemos um produto semiacabado para frente e verso.
  • Por fim, utilize a estrutura já usinada para posicionar em uma máquina de 4 ou 5 eixos, crie um dispositivo de realimentação e usine as estruturas nos 3 lados uma a uma.

Este processo de usinagem detalhado garante a fabricação precisa do suporte do estator e atende aos requisitos do mecanismo de ombro do exoesqueleto.

Carcaça de exoesqueleto robótico usinado

A carcaça do exoesqueleto robótico também é uma parte importante do projeto geral de um exoesqueleto de reabilitação de membro superior, pois fornece uma cobertura protetora e funcional para mecanismos internos complexos. Semelhante à precisão necessária para a montagem do estator usinado, a carcaça requer atenção especial durante o processo de fabricação para garantir desempenho ideal.

Assim como o suporte do estator, a carcaça é feita de AL6061-T6. Ao usinar peças de carcaça, certas tolerâncias dimensionais também devem ser levadas em consideração para garantir o alinhamento e montagem corretos com outros componentes do exoesqueleto. Em particular, aqueles relativos aos pontos de fixação e à interface com outros módulos devem ser rigorosamente controlados para garantir um ajuste preciso.

Além disso, manter a integridade estrutural do case é de extrema importância. Áreas com paredes finas ou características complexas requerem usinagem cuidadosa para evitar deformações ou pontos fracos.

Componentes do exoesqueleto com tratamentos de superfície

Processamento de superfície para robôs de exoesqueleto personalizados

Como as peças do exoesqueleto são usadas repetidamente e as peças da caixa são visíveis para os usuários finais, a maioria dessas peças do exoesqueleto requer pós-tratamento para torná-las esteticamente agradáveis ​​e resistentes à corrosão. Para peças de exoesqueleto de alumínio, o jateamento de areia e posterior anodização é a solução mais adequada neste caso.

Portanto, primeiro limpamos todas as peças de alumínio e depois as lixamos e anodizamos. Por um lado, o jato de areia esconde marcas de processamento e marcas de passos e dá às peças processadas do exoesqueleto uma superfície fosca com rugosidade uniforme. Por outro lado, a anodização melhora a resistência à corrosão do alumínio, proporciona uma superfície dura e resistente a riscos e melhora a aparência do exoesqueleto.

Inspeção de peças de exoesqueleto com máquina de medição por coordenadas

Controle de qualidade

Olhar

Como esses componentes do exoesqueleto devem ficar suspensos no dispositivo durante o processo de oxidação, eles serão arranhados se não forem cuidadosos ao removê-los. Portanto, as peças devem ser colocadas a uma distância de 20 cm dos olhos durante a inspeção para permitir uma inspeção cuidadosa. Além disso, todas as peças são montadas no mesmo robô, e a uniformidade e uniformidade da cor oxidada das diferentes peças é particularmente importante. Após a verificação, o aspecto e a cor serão alcançados com o efeito desejado.

Dimensões

Peças de exoesqueleto com maior precisão em desenhos técnicos

Os relatórios de testes mostram que alcançamos uma precisão ainda maior do que a necessária.

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