En los últimos años se han realizado investigaciones sobre la producción de robots exoesqueletos. Esto se debe principalmente al aumento de la demanda en varias áreas, p. B. la industria médica. Debido a las diferentes funciones de estos exoesqueletos robóticos, existe un gran mercado de consumo para satisfacer diferentes necesidades y usos.
Este artículo presenta consideraciones de diseño para cumplir con los requisitos de los robots exoesqueletos y analiza la fabricación de piezas de robots exoesqueletos. Vamos a empezar.
¿Qué son los robots exoesqueleto?
Primero, aprendamos qué es un exoesqueleto robótico. Los robots exoesqueletos se desarrollaron originalmente en la década de 1960 para soldados heridos y desde entonces se han utilizado en diversos tipos de robótica médica, efectos cinematográficos y aplicaciones militares para apoyar y fortalecer el cuerpo humano.
Teniendo en cuenta los requisitos de estos robots portátiles en diferentes campos, se clasifican en métodos de accionamiento activos y pasivos. Por un lado, los métodos de propulsión activa con exoesqueletos utilizan actuadores que convierten la energía hidráulica, neumática o eléctrica en energía mecánica para el usuario. Por otro lado, los exoesqueletos pasivos apoyan al usuario y ofrecen una asistencia flexible.
Por esta razón, actualmente existe una gran demanda de estos robots exoesqueletos versátiles, especialmente debido a su soporte flexible, precisión y capacidad para manejar diferentes requisitos.
¿Cómo se utilizan los robots exoesqueletos en la rehabilitación médica?
Los exoesqueletos médicos son una aplicación importante para los robots de rehabilitación. Estos robots exoesqueletos suelen proporcionar tratamientos de rehabilitación y ayudar a los pacientes a recuperar la movilidad. Hoy en día, las tecnologías de fabricación de robots exoesqueletos médicos han logrado grandes avances. Brindan atención de apoyo a personas con lesiones y discapacidades para ayudarlas a recuperarse más rápidamente.
Además, estos robots de exoesqueleto asistidos médicamente se dividen en tipos aumentativos y de rehabilitación que apoyan a las personas con estas ayudas de movilidad portátiles. El proceso aumentativo ayuda a los pacientes a realizar tareas de manera eficiente y les alivia la tensión. Por el contrario, los exoesqueletos de rehabilitación, utilizados habitualmente en sesiones de fisioterapia, favorecen la recuperación.
Los exoesqueletos médicos también se pueden dividir en exoesqueletos de las extremidades superiores (hombros, brazos, espalda) y exoesqueletos de las extremidades inferiores (piernas, tobillos, pies). De esta forma, se pueden utilizar fácilmente en sesiones de fisioterapia o en casa, ayudando a los pacientes a seguir entrenando y reduciendo el nivel de apoyo cuando se observa mejoría.
Consideraciones de diseño para exoesqueletos robóticos
La producción de robots exoesqueletos requiere investigación y consideración constantes en las fases de diseño y prueba. La portabilidad, la flexibilidad, la adaptabilidad y la ligereza son factores clave en el diseño de exoesqueletos. Por lo tanto, se tienen en cuenta algunas consideraciones de diseño importantes al desarrollar y personalizar un robot exoesqueleto. Algunos de ellos se enumeran a continuación:
Considere la ergonomía
Para que los exoesqueletos robóticos funcionen, las articulaciones artificiales se alinean con las articulaciones humanas. Teniendo esto en cuenta, los diseñadores deben asegurarse de que el rango de movimiento de la articulación artificial sea consistente con el de las articulaciones humanas para evitar el dolor durante las cargas de presión. Se debe garantizar el rango completo de articulación humana con cambios mecánicos mínimos. Esto garantiza que la fuerza aplicada esté dentro del rango que las extremidades humanas pueden soportar y garantiza un diseño ergonómico del exoesqueleto.
Transmisión de potencia
El cuerpo humano tiene una cinemática compleja, con múltiples grados de libertad (DOF) en cada articulación. Para superar esto, los diseñadores están buscando formas alternativas de transmitir energía y permitir la transmisión a través de dispositivos mecánicos basados en enlaces. Estas cadenas cinemáticas a base de eslabones, fabricadas con materiales de diferente dureza, aumentan la fuerza de transmisión, reducen el tamaño del actuador, permitiendo así una transmisión de potencia segura y cómoda.
En los exoesqueletos robóticos rígidos, las estructuras mecánicas están alineadas con cada articulación y utilizan un sistema de transmisión o engranaje directo. Esto permite montar los actuadores cerca de la estructura, haciéndolos portátiles. Los exoesqueletos blandos están hechos de materiales flexibles y tienen la forma de un guante liviano que transmite la fuerza directamente a los dedos. Para transmitir fuerza se utilizan dispositivos impulsados por tendones, músculos artificiales y estructuras flexibles y sin articulaciones.
Calibración y tamaños.
Debido a que los robots exoesqueletos están muy extendidos y no todos los usuarios potenciales tienen extremidades del mismo tamaño, algunos usuarios corren el riesgo de una colocación incorrecta o un funcionamiento inadecuado, lo que puede afectar los tratamientos de rehabilitación. Además, hay que garantizar que el uso de un exoesqueleto robótico sea indoloro. Por tanto, los dispositivos de exoesqueleto robóticos requieren un rango de ajuste aceptable para diferentes tamaños de extremidades.
Por lo tanto, al diseñar el exoesqueleto, es importante que permita una gama máxima de tamaños de extremidades y no cause lesiones secundarias a los usuarios. Para conseguirlo, se deben utilizar sistemas como topes mecánicos, límites de fuerza o límites de rotación para evitar un rango de movimiento excesivo.
Materiales ligeros
Para garantizar un funcionamiento cómodo de los exoesqueletos, es importante que las piezas del robot exoesqueleto utilicen materiales ligeros que aligeren la carga del usuario y mejoren la portabilidad. Los diseñadores deben tener cuidado de minimizar el tamaño y el peso de los componentes mecánicos.
Para ello, los exoesqueletos blandos (fabricados con materiales como la silicona) resultan cómodos debido a la ausencia de estructuras “rígidas”. Además, para materiales rígidos, la opción preferida es un robot con un exoesqueleto de aluminio. Por su ligereza y durabilidad, así como por su alta resistencia al estrés, es un material metálico preferido para elementos estructurales mecánicos utilizados en la producción de robots exoesqueletos.
Producción rápida de robots exoesqueletos: ¿cómo funciona la fabricación bajo demanda?
Para lograr ciclos de desarrollo más cortos, es importante optimizar el proceso de fabricación de los componentes del exoesqueleto del robot. A continuación se detallan algunos procesos y métodos para garantizar que los robots exoesqueletos lleguen al mercado rápidamente.
Iteraciones de diseño flexibles
Para cumplir con los requisitos de fabricación de exoesqueletos robóticos, es importante garantizar iteraciones de diseño flexibles. Esto contribuye al diseño y la fabricación precisos y eficientes de exoesqueletos, lo que permite su optimización. La fabricación bajo demanda permite, por tanto, la personalización, produciendo prototipos y piezas de exoesqueletos robóticos para clientes con diferentes necesidades, garantizando plazos de entrega cortos.
Producción rápida
La producción rápida con mecanizado personalizado permite la producción de piezas de exoesqueleto robótico eficientes y rentables, lo que permite un tiempo de comercialización más rápido. Al producir componentes de exoesqueleto de bajo costo, es más fácil captar un mercado más amplio de usuarios. Esto es particularmente importante para los exoesqueletos robóticos de rehabilitación. Como no se requiere una cantidad mínima de pedido, se puede realizar una producción más rápida y flexible.
Simplifique el proceso de desarrollo
Las soluciones de fabricación bajo demanda le permiten convertir sus ideas en realidad rápidamente. Ayudan a simplificar los procesos de desarrollo de robots exoesqueletos. También contribuyen significativamente a reducir los costos de producción al utilizar menos recursos, lo que hace que el robot exoesqueleto sea más accesible para los consumidores. Esto permite realizar pedidos flexibles que satisfagan las necesidades del usuario.
Además, la producción bajo demanda optimiza el tiempo de entrega del producto. La eficiencia y la productividad también se mantienen bajo control, lo que reduce los errores y garantiza la entrega de productos finales de alta calidad.
Opciones de edición completas
Para facilitar el desarrollo bajo demanda, se implementan capacidades de producción rápida que ejecutan múltiples procesos y permiten el procesamiento en una sola ubicación. Utilizando robots de mecanizado CNC, impresión 3D, procesamiento de chapa, técnicas de acabado de superficies, etc., puede realizar de manera eficiente sus proyectos de robots exoesqueletos desde el prototipo hasta la producción. Estas tecnologías avanzadas garantizan precisión y exactitud en piezas de exoesqueleto personalizadas, garantizando una entrega de alta calidad al usuario.
Estudio de caso sobre piezas robóticas de exoesqueleto personalizadas
La demanda de exoesqueletos médicos con fines de rehabilitación y aumento está aumentando. Esto incluye exoesqueletos para las extremidades superiores e inferiores. Los dos robots exoesqueleto fabricados constan de varias piezas, la mayoría de las cuales están mecanizadas. Nos gustaría presentar un caso sobre la producción de piezas de exoesqueleto para la rehabilitación de miembros superiores.
¿Cómo sirven las piezas mecanizadas al mecanismo del exoesqueleto?
El mecanismo del hombro es un módulo de exoesqueleto para la rehabilitación de las extremidades superiores. Es ligero y compacto y garantiza el máximo rango de movimiento de la articulación del hombro humano, lo que a su vez impulsa la rotación de las articulaciones del hombro y hace que la carcasa de las áreas grandes y pequeñas del brazo sea móvil. En esta sección, nos centramos en el mecanizado de dos componentes típicos de exoesqueleto de robot, a saber, soportes y carcasas de estator de exoesqueleto hechos a medida.
Conjunto de estator mecanizado
El conjunto del estator es una pieza clave fija y estacionaria en un motor eléctrico. Se utiliza para crear un campo magnético giratorio cuando una corriente alterna lo atraviesa. Este campo magnético inducido crea un voltaje que hace que el rotor gire.
En este caso, el material utilizado para soportar el estator es AL6061-T6 con propiedades mecánicas ligeras y robustas. La precisión es importante durante el mecanizado porque el estator está integrado con otras partes del exoesqueleto. Algunas preocupaciones al editar esta parte se enumeran a continuación:
Como el estator se coloca junto con otras piezas, se debe manipular con cuidado durante el mecanizado. Al editar, se deben considerar cuidadosamente los siguientes tres puntos.
- (1) Como es necesario colocarlo y ensamblarlo con otras partes del exoesqueleto, el tamaño y la tolerancia de posición de los 12 orificios marcados en rojo en la imagen son cruciales.
- (2) El espesor de la pared en el punto indicado por la flecha roja es de solo 2 mm y existe riesgo de deformación de la pieza de montaje del estator debido a la presión de la herramienta de fresado durante el mecanizado.
- (3) La superficie amarilla entra en contacto con una parte más sensible. Por tanto, la superficie tratada debe ser lo más lisa posible. Debe alcanzarse una rugosidad superficial de Ra0,8.
Proceso de mecanizado del soporte del estator.
Para mecanizar estas piezas utilizamos fresadoras de 3, 4 y 5 ejes.
- Primero se fresa el frente y luego se rellena con yeso la estructura hueca fresada. Después del endurecimiento, el frente se fresa y vuelve a su estado original.
- Luego utilizamos una máquina de 3 ejes para fresar la parte trasera de la misma forma que el frente. Después del fresado retiramos el yeso rellenado en el primer proceso. Así obtenemos un producto semiacabado de doble cara.
- Finalmente, utilizar la estructura ya mecanizada para posicionarla en una máquina de 4 o 5 ejes, crear un dispositivo de realimentación y mecanizar las estructuras en los 3 lados una a una.
Este detallado proceso de mecanizado garantiza una fabricación precisa del soporte del estator y cumple con los requisitos del mecanismo de hombro del exoesqueleto.
Carcasa de exoesqueleto robótico mecanizado
La carcasa del exoesqueleto robótico también es una parte importante del diseño general de un exoesqueleto de rehabilitación de extremidades superiores, ya que proporciona una cubierta protectora y funcional para mecanismos internos complejos. De manera similar a la precisión requerida para el ensamblaje mecanizado del estator, la carcasa requiere atención especial durante el proceso de fabricación para garantizar un rendimiento óptimo.
Al igual que el soporte del estator, la carcasa está fabricada en AL6061-T6. Al mecanizar piezas de la carcasa, también se deben tener en cuenta ciertas tolerancias dimensionales para garantizar la alineación y el ensamblaje correctos con otros componentes del exoesqueleto. En particular, los relativos a los puntos de fijación y a la interfaz con otros módulos deben controlarse estrictamente para garantizar un ajuste preciso.
Además, mantener la integridad estructural del caso es de suma importancia. Las áreas con paredes delgadas o características complejas requieren un mecanizado cuidadoso para evitar deformaciones o puntos débiles.
Procesamiento de superficies para robots exoesqueletos personalizados
Debido a que las piezas del exoesqueleto se utilizan repetidamente y las piezas de la carcasa son visibles para los usuarios finales, la mayoría de estas piezas del exoesqueleto requieren un tratamiento posterior para que sean estéticamente agradables y resistentes a la corrosión. Para piezas de exoesqueleto de aluminio, el chorro de arena y posterior anodizado es la solución más adecuada en este caso.
Por eso, primero limpiamos todas las piezas de aluminio y luego las lijamos y anodizamos. Por un lado, el arenado oculta las huellas de procesamiento y de pisadas y confiere a las piezas del exoesqueleto procesadas una superficie mate con una rugosidad uniforme. Por otro lado, el anodizado mejora la resistencia a la corrosión del aluminio, proporciona una superficie dura y resistente a los arañazos y mejora la apariencia del exoesqueleto.
Control de calidad
Mirar
Debido a que estos componentes del exoesqueleto deben quedar suspendidos en el dispositivo durante el proceso de oxidación, se rayarán si no se tiene cuidado al retirarlos. Por lo tanto, las piezas deben colocarse a una distancia de 20 cm de los ojos durante la inspección para permitir una inspección cuidadosa. Además, todas las piezas se ensamblan en el mismo robot y la uniformidad y uniformidad del color oxidado de las diferentes piezas es particularmente importante. Después de comprobarlo, se conseguirá el aspecto y color con el efecto deseado.
Dimensiones
Los informes de prueba muestran que logramos una precisión aún mayor de la requerida.
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