Budowa egzoszkieletu – czy to możliwe? Odpowiedź brzmi: tak. DOMOWY egzoszkielet. Oczywiście pod warunkiem, że masz trochę wiedzy z zakresu majsterkowania i informatyki. Chociaż jest to całkowicie robotyczne, ten egzoszkielet DIY nie pochodzi z science fiction, ale jest bardzo realny. Jeśli trafiłeś na ten artykuł, to albo z ciekawości, albo w celach zawodowych. W obu przypadkach zostań z nami, ponieważ pokażemy Ci, jak zbudować egzoszkielet.
Poznaj podstawowe elementy potrzebne do zaprojektowania egzoszkieletu
Zbudowanie egzoszkieletu wymaga minimalnej wiedzy. Jednak znajomość kluczowych elementów egzoszkieletu to podstawa, zanim zabierzesz się do pracy. Oczywiście zacznij od prostego i nieskomplikowanego modelu, takiego jak Abilitech Assist.
Czujniki
Mówiąc konkretnie, czujniki służą do wykrywania ruchów wykonywanych przez Twoje ciało, aby czujnik mógł zareagować wystarczająco szybko. Istnieją dwa rodzaje czujników, które pasują do konstrukcji egzoszkieletu – czujniki siły i czujniki położenia. Bez tych dwóch elementów Twój egzoszkielet zrobotyzowany może nie działać tak, jak byś tego chciał.
Aktuatory
Aktuatory to kolejny element. Ich rolą jest przekształcanie energii w ruch. W przypadku Max SuitX aktuatory to silniki elektryczne.
Konstrukcja
Brak struktury, ponieważ będzie ona bezpośrednio gwintowana. Konstrukcja musi być wytrzymała i lekka, tak aby jej obciążenie nie było zbyt duże dla ciała. Najlepszymi materiałami do konstrukcji pozostają aluminium i, oczywiście, kompozyty z włókna węglowego, które są obecnie najczęściej stosowane.
Centralny kontroler
Umożliwia przetwarzanie informacji pochodzących bezpośrednio z czujników. Służą one również do uruchamiania siłowników. Najlepszym mikrokontrolerem jest Arduino.
Etapy rozwoju prototypu egzoszkieletu i druku 3D
Etapy tworzenia prototypu i druku 3D egzoszkieletu oparte na modelowaniu 3D, druku 3D, montażu i wreszcie dostosowaniach.
Modelowanie 3D
W przypadku modelowania warto przyjrzeć się konkretnemu oprogramowaniu, które zapewni modelowanie doskonałego prototypu. Najlepiej oceniane są programy Fusion 360 lub CATIA. Można jednak również rozważyć Kino 4D, jeśli chcesz opracowywać bardziej zaawansowane struktury. Tak jest w przypadku dodawania węzłów przegubowych z wypustkami i zagłębieniami. Wybór jednego z tych programów będzie zależał od rodzaju prototypów. Uwaga: ten etap obejmuje optymalizację proporcji w celu dostosowania urządzenia do morfologii. Na przykład można wirtualnie dodać wspólne lokalizacje, a także długość różnych segmentów.
Drukowanie 3D
Tutaj sprawy będą bardziej skomplikowane dla nowicjuszy, ponieważ wszystkie trudne elementy, takie jak podpory stawów i zawiasy, będą projektowane z wykorzystaniem technologii FDM (PLA i elastycznego TPU), ale także SLS (nylon PA12). Ten krok pomoże Ci zaprojektować indywidualne komponenty, takie jak ogniwa ładujące siłownika i struktury siatki. Dla najbardziej doświadczonych można użyć wysokiej klasy drukarki, takiej jak Volumic 3D. Ta ostatnia jest precyzyjna co do mikrona, dlatego idealnie nadaje się do części mechanicznych.
Montaż i dostosowanie egzoszkieletu
Faza montażu musi przebiegać zgodnie ze szczegółowym protokołem, w szczególności w zakresie integracji siłowników (takich jak płaskie silniki WE firmy Maxon lub cylindry liniowe) oraz czujników (określanych jako żyroskopy i czujniki siły).Przede wszystkim musimy zapewnić, że kompaktowe sterowniki ESCON są prawidłowo podłączone do głównego mikroprocesora typu Arduino lub Raspberry Pi. Następnie należy zamontować paski i regulowane taśmy, które zapewnią dobre wsparcie ergonomiczne. Należy przeprowadzić testy w górę rzeki, aby sprawdzić brak tarcia lub prawidłowe dopasowanie wspólnych osi z kończynami.
Dopasuj egzoszkielet
W razie potrzeby zawsze można dostosować lub stopniowo dostosowywać egzoszkielet, aby zmniejszyć masę ciała. Niektóre części można zastąpić włóknem węglowym, które jest znacznie lżejsze i bardziej wytrzymałe niż inne materiały.Nie wahaj się korzystać z narzędzi w oprogramowaniu Cinema 4D, takich jak Atoma-Array, które mogą pomóc w wizualizacji obszarów, gdzie nacisk na strukturę jest największy. Ponadto pamiętaj, że czujniki są idealnymi pomocnikami, które dostarczą Ci danych w czasie rzeczywistym, zwłaszcza na temat mechanicznego funkcjonowania egzoszkieletu.
Materiały i techniki produkcji
Odpowiedni dobór materiałów z pewnością zapewni lekkość, ale także wytrzymałość i doskonały komfort podczas noszenia urządzenia.
Tkaniny techniczne
Wybierz elastyczne taśmy i pasy podtrzymujące. Te dwa elementy doprowadzą konstrukcję do perfekcji i zapewnią Ci doskonały komfort. Ich zaletą jest elastyczność, która dopasowuje się do ciała bez utrudniania ruchów. Ponadto obciążenia będą dobrze rozłożone.
Kompozyty
Jeśli chodzi o kompozyty, włókno węglowe jest preferowane w elementach nośnych tego typu materiałów ze względu na jego lekkość, ale także wysoką wytrzymałość mechaniczną. Efekt? Zmniejszenie całkowitej wagi urządzenia przy zachowaniu jego wytrzymałości i odporności. Weźmy na przykład nowoczesne egzoszkielety przemysłowe. W tych zastosowaniach wykorzystuje się wyłącznie ramy z włókna węglowego, które nie tylko ułatwiają ruch, ale także zmniejszają zmęczenie mięśni. A wszystko to przy masie nieprzekraczającej dwóch kilogramów.
Sprężyny i systemy pasywne
Jeśli chcesz ograniczyć zużycie energii elektrycznej, lepiej zintegrować systemy pasywne, takie jak sprężyny. W rzeczywistości nie tylko magazynują one, ale także przywracają energię mechaniczną wytwarzaną podczas ruchów. Właściwie sprężyny zmniejszają obciążenie silników, rozszerzając zakres działania urządzenia. Stosowane do wspomagania powtarzających się ruchów, takich jak podnoszenie i zginanie, sprężyny pozwalają uniknąć ciągłego korzystania z innego zewnętrznego źródła energii.
Techniki produkcji
Aby produkować niestandardowe części, najlepszym sposobem pozostaje druk 3D. Można je wykonać z PLA lub elastycznego TPU. Ponadto technika nanoszenia stopionego drutu, czyli FDM, pozwala połączyć jednocześnie sztywność i elastyczność. Ułatwia to produkcję hybrydowych egzoszkieletów.
Bezpieczeństwo i regulacje dotyczące egzoszkieletów DIY
Stworzenie egzoszkieletu to jedno, ale przestrzeganie obowiązujących przepisów dotyczących tych urządzeń to zupełnie inna sprawa. Należy pamiętać, że bezpieczeństwo produkcji egzoszkieletu i jego użytkowania jest określone przez normy. Mają one na celu zapewnienie bezpieczeństwa. We Francji obowiązuje norma NF X35-800, która umożliwia wdrożenie egzoszkieletu w środowisku zawodowym. Norma ta kładzie nacisk na przestrzeganie limitów nacisku i wytrzymałości, co zapobiega uszkodzeniom mięśni i stawów.W kontekście domowej produkcji egzoszkieletów prototypy będą musiały być stopniowo zatwierdzane, zaczynając na przykład od produkcji prototypu d-egzoszkieletu – modelu o zmniejszonych rozmiarach – przed przystąpieniem do testów na pełną skalę. Myśl etycznie. Rzeczywiście, produkcja egzoszkieletów typu „zrób to sam” nie posiada oficjalnej certyfikacji. Może to w znacznym stopniu narażać amatorskich producentów i użytkowników domowych egzoszkieletów na większe lub mniejsze ryzyko. W takim przypadku producent jest automatycznie odpowiedzialny za każdą awarię. Dlatego też należy przestrzegać tych kilku podstawowych zasad bezpieczeństwa w celu ograniczenia ryzyka prawnego, a jednocześnie zapewnienia sobie dobrego samopoczucia.
Praktyczne przykłady
DIY egzoszkielety w robotyce domowej nie są nowością. Z tego powodu wiele projektów pokazało, że stworzenie egzoszkieletu jest bardzo możliwe, od prototypów studenckich po bardziej profesjonalne modele. W związku z tym studenci z ENS w Cachan rozpoczęli projekt egzoszkieletu do kończyn dolnych. Prototyp studentów został zaprojektowany w programie CATIA. Model został zrealizowany w skali 1:4. 
Projekt został zrealizowany we współpracy z lekarzami oraz jednostką ds. niepełnosprawności ENS. W rzeczywistości egzoszkielet ten miał na celu zmniejszenie obciążenia mięśni podczas przenoszenia ciężkich ładunków. Inni twórcy pokazali, jak zbudować prosty egzoszkielet z konstrukcji wykonanej z rur PVC i siłowników pochodzących z recyklingu.
Oczywiście domowy egzoszkielet również wymaga odpowiedniej konserwacji. Na ten temat zapoznaj się z naszym artykułem: Przewodnik po eksploatacji i konserwacji egzoszkieletu.
Wniosek
Budowa egzoszkieletu to ambitne wyzwanie, które wymaga wiedzy, ale jest to wyzwanie osiągalne. Projekt domowego egzoszkieletu łączy biomechanikę, druk 3D i inżynierię, umożliwiając najbardziej świadomym projektowanie funkcjonalnych prototypów w domu.
Nie zapominaj o tym. Egzoszkielet musi dostosować się do Twojej budowy ciała, ale równie ważne jest, abyś nauczył się do niego dostosowywać.
Możliwość realizacji takiego projektu nie jest dostępna dla wszystkich. Ogólnie rzecz biorąc, projekty te są prowadzone przez doświadczonych producentów i studentów. Będzie to wymagało znajomości kwestii prawnych, etycznych i technicznych. Przy odrobinie cierpliwości można zbudować DOMOWY egzoszkielet, choć prosty, który będzie można używać, a kto wie: może nawet uda się go opatentować!
Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź nasz blog poświęcony egzoszkieletom.
