Exoesqueletos mecanizados personalizados en robótica de rehabilitación (con caso práctico)

En los últimos años, ha habido una investigación continua sobre la producción de robots exoesqueletos. Esto se debe principalmente a su creciente demanda en diferentes áreas, por ejemplo, la industria médica. Debido a las diferentes funciones de estos exoesqueletos robóticos, existe un gran mercado de consumo que abarca diferentes requisitos y usos.

Este artículo presentará las consideraciones de diseño para satisfacer las demandas de los robots exoesqueletos y analizará el caso de fabricación de piezas de robots exoesqueletos. Vamos a ello.

¿Qué son los robots exoesqueletos?

Primero, aprendamos qué es un exoesqueleto robótico. Los robots exoesqueletos, desarrollados inicialmente en la década de 1960 para soldados heridos, han evolucionado desde entonces para apoyar y fortalecer el cuerpo humano en diversos robots médicos, efectos cinematográficos y sectores militares.

Dados los requisitos de estos robots portátiles en diferentes campos, se clasifican en procesos de accionamiento activo y pasivo. Por un lado, los métodos de exoesqueleto de accionamiento activo emplean actuadores que convierten la energía hidráulica, neumática o eléctrica para proporcionar energía mecánica al usuario. Por otro lado, los exoesqueletos pasivos apoyan al usuario, proporcionándole asistencia flexible.

Como resultado, estos versátiles robots exoesqueletos tienen ahora una gran demanda, especialmente debido a su apoyo 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 de los robots de rehabilitación. Estos robots exoesqueletos suelen ofrecer tratamientos rehabilitadores, ayudando a los pacientes a recuperar la movilidad. Hoy en día, las tecnologías han experimentado un mayor avance en la fabricación de robots exoesqueletos médicos. Brindan ayuda de apoyo a personas con lesiones y discapacidades para que se recuperen más rápido.

Además, estos robots exoesqueletos médicos asistidos se dividen en tipos aumentativos y rehabilitadores, facilitando a las personas estas ayudas de movilidad portátiles. El proceso aumentativo ayuda a los pacientes a ejecutar tareas de manera eficiente, aliviándolos del esfuerzo. Por el contrario, los exoesqueletos rehabilitadores, generalmente empleados en sesiones de fisioterapia, impulsan la recuperación.

Los exoesqueletos médicos también pueden clasificarse en exoesqueletos de las extremidades superiores (hombros, brazos, espalda) y exoesqueletos de las extremidades inferiores (piernas, tobillos, pies). De esta manera, pueden utilizarse fácilmente en sesiones de fisioterapia o en el hogar, ayudando a los pacientes a continuar ejercitándose mientras se reduce el nivel de asistencia, a medida que se observa la mejora.

Consideraciones de diseño para exoesqueletos robóticos

Para la producción de robots exoesqueletos, se requiere una investigación y consideración continuas 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, al desarrollar y personalizar un robot exoesqueleto, se tienen en cuenta algunas consideraciones críticas de diseño. A continuación se mencionan algunas:

Considerar la ergonomía

Para el funcionamiento de los exoesqueletos robóticos, las articulaciones artificiales se alinean con las articulaciones humanas. En vista de esto, los diseñadores deben asegurarse de que el rango de movimiento de la articulación artificial esté sincronizado con las articulaciones humanas para evitar molestias cuando se aplica presión. Con cambios mecánicos mínimos, es necesario garantizar el rango total de la articulación humana. Esto asegura que la fuerza aplicada esté dentro del rango que las extremidades humanas pueden soportar, garantizando un diseño de exoesqueleto ergonómico.

Transmisión de fuerza

El cuerpo humano incorpora una cinemática compleja, adhiriéndose a múltiples grados de libertad (DOF) en cada articulación. Para abordar esto, los diseñadores están adoptando formas alternativas de transmitir potencia, permitiendo la transmisión a través de dispositivos mecánicos basados en enlaces. Ya sean fabricadas con materiales de diferente dureza, estas cadenas cinemáticas basadas en enlaces aumentan la fuerza de transmisión, reduciendo el tamaño del actuador y permitiendo así una transmisión de fuerza segura y cómoda.

Para los exoesqueletos robóticos rígidos, las estructuras mecánicas se alinean con cada articulación, empleando un accionamiento directo o un sistema de engranajes. Esto permite que los actuadores estén cerca de la estructura, lo que la hace portátil. Por el contrario, los exoesqueletos blandos, que utilizan materiales flexibles, vienen en forma de un guante ligero, transmitiendo la fuerza directamente a los dedos. Se emplean dispositivos accionados por tendones, músculos artificiales y estructuras flexibles sin articulaciones para la transmisión de fuerza.

Calibración y tamaños

Dado que los robots exoesqueletos están generalizados y no todos los usuarios potenciales pueden tener el mismo tamaño de extremidades, se plantea la amenaza de desalineación entre algunos usuarios, o la posibilidad de un funcionamiento deficiente, afectando así los tratamientos de rehabilitación. Además, debe asegurarse de que el uso de un robot exoesqueleto sea un proceso sin dolor. De esta manera, los dispositivos de robot exoesqueleto requieren un rango aceptable de ajustabilidad a diferentes tamaños de extremidades.

Por lo tanto, al diseñar el exoesqueleto, es importante que permita un rango máximo de tamaños de extremidades y no induzca lesiones secundarias a los usuarios. Para abordar esto, es necesario utilizar sistemas como topes mecánicos, límites de fuerza o limitación de rotación para evitar un rango excesivo de movimientos.

Materiales ligeros

Para garantizar el funcionamiento cómodo de los exoesqueletos, es vital optar por materiales ligeros en las piezas de los robots exoesqueletos, aliviando a los usuarios y aumentando la portabilidad. Los diseñadores deben considerar minimizar el tamaño y el peso de los componentes mecánicos.

Para este propósito, los exoesqueletos blandos (que utilizan materiales como el silicio) son cómodos, debido a la ausencia de estructuras "rígidas". Además, en cuanto a los materiales rígidos, un robot exoesqueleto de aluminio es una opción preferida. Dada su ligereza y durabilidad, con una tensión de fluencia y propiedades altamente resistentes, es un material metálico preferido para los elementos de la estructura mecánica involucrados en el mecanizado de robots exoesqueletos.

Producción rápida de robots exoesqueletos: ¿cómo funciona la fabricación bajo demanda?

Para incorporar ciclos de desarrollo reducidos, es vital optimizar el proceso de fabricación de componentes de robots exoesqueletos. A continuación se presentan algunos procesos y métodos para garantizar que los robots exoesqueletos lleguen rápidamente al mercado.

Iteraciones de diseño flexibles

Para cumplir con la fabricación de robots exoesqueletos, es importante garantizar iteraciones de diseño flexibles. Esto ayuda a producir un diseño y una fabricación de exoesqueletos precisos y eficientes, permitiendo así la optimización. Como resultado, la fabricación bajo demanda proporciona personalización, produciendo prototipos y piezas de exoesqueletos robóticos para clientes con diferentes requisitos, garantizando un corto tiempo de entrega.

Producción rápida

La producción rápida, mediante el mecanizado personalizado, permite la fabricación de piezas de robots exoesqueletos eficientes y rentables, permitiendo un menor tiempo de comercialización. Es más fácil captar un mercado más amplio de usuarios produciendo componentes de exoesqueleto asequibles. Esto es especialmente importante para los exoesqueletos robóticos rehabilitadores. Sin MOQ, se puede llevar a cabo una producción más rápida y flexible.

Simplificar el proceso de desarrollo

Las soluciones de fabricación bajo demanda permiten que sus ideas se conviertan en realidad rápidamente. Ayudan a simplificar los procesos de desarrollo de robots exoesqueletos. También son esenciales para reducir los costos de producción mediante una menor utilización de recursos, haciendo que el robot exoesqueleto sea más asequible para los consumidores. Esto ofrece pedidos flexibles según lo demanden los usuarios.

Además, la producción bajo demanda optimiza el tiempo de entrega de los productos. La eficiencia y la productividad también se mantienen bajo control, reduciendo los errores y garantizando la entrega de productos finales de alta calidad.

Capacidades integrales de mecanizado

Para facilitar el desarrollo bajo demanda, se emplean capacidades de producción rápida que realizan diferentes procesos, proporcionando un mecanizado integral. Mediante robótica de mecanizado CNC, impresión 3D, fabricación de chapa metálica, técnicas de acabado superficial, etc., haga que sus proyectos de robots exoesqueletos pasen del prototipado a la producción de manera eficiente. Estas tecnologías avanzadas mantienen la precisión y la exactitud para las piezas de exoesqueletos personalizadas, produciendo entregas de alta calidad para el usuario.

Estudio de caso en piezas mecanizadas personalizadas de robots exoesqueletos

Los exoesqueletos médicos tienen una demanda creciente para fines de rehabilitación y aumento. Estos incluyen tanto exoesqueletos de las extremidades superiores como exoesqueletos de las extremidades inferiores. Ambos robots exoesqueletos producidos constan de varias piezas, la mayoría de las cuales están mecanizadas. Estamos aquí para compartir un caso sobre la producción de piezas de un exoesqueleto de rehabilitación del miembro superior.

¿Cómo cumplen las piezas mecanizadas con el mecanismo del exoesqueleto?

El mecanismo del hombro, siendo un módulo del exoesqueleto de rehabilitación del miembro superior, es ligero y compacto, garantizando el máximo rango de movimiento como la articulación del hombro humano, que a su vez impulsa la rotación de las articulaciones del hombro, haciendo móvil la carcasa de la zona del brazo grande y del brazo pequeño. En esta sección, nos centraremos en el mecanizado de dos componentes típicos del robot exoesqueleto, es decir, el soporte del estátor y las carcasas mecanizadas personalizadas del exoesqueleto.

Soporte del estátor mecanizado

Un soporte de estátor es una pieza clave fija y estacionaria en un motor eléctrico. Se utiliza para crear un campo magnético giratorio cuando pasa corriente alterna. Como resultado de este campo magnético inducido, se introduce voltaje, haciendo girar el rotor.

Para este caso, el material utilizado en el soporte del estátor es AL6061-T6, con propiedades mecánicas ligeras y robustas. La precisión es importante durante el mecanizado debido a que el estátor se integra con otras piezas del exoesqueleto. A continuación se mencionan algunas preocupaciones al mecanizar esta pieza:

Dado que el estátor se posiciona con otras piezas, durante el mecanizado debe manejarse con cuidado. Al mecanizar, los 3 puntos siguientes se manejan diligentemente.

• (1) Debido a que necesita posicionarse y ensamblarse con otras piezas del exoesqueleto, el tamaño y la tolerancia de posición de los 12 orificios marcados en rojo en la imagen son críticos.
• (2) El espesor de la pared en la ubicación indicada por la flecha roja es de solo 2 mm, y la presión de la herramienta de fresado durante el mecanizado puede suponer un riesgo de deformación de la pieza del soporte del estátor.
• (3) La superficie amarilla estará en contacto con una pieza más frágil, por lo que requiere que la superficie mecanizada sea lo más lisa posible. Es necesario lograr la rugosidad superficial de Ra0.8.

Proceso de mecanizado del soporte del estátor

Para el mecanizado de estas piezas, empleamos fresadoras de 3 ejes, 4 ejes y 5 ejes.

• Primero, se centra en fresar la cara frontal, seguido de rellenar la estructura hueca fresada con yeso. Una vez solidificado, la superficie frontal se fresa plana, restaurándola a su estado inicial.
• Luego, empleamos una máquina de 3 ejes para fresar la cara inversa de la misma manera que la cara frontal. Después del fresado, retire el yeso rellenado del primer proceso. Ahí tenemos un producto semiacabado por delante y por detrás.
• Finalmente, utilizando una máquina de 4 ejes o 5 ejes, use la estructura que ya está mecanizada para el posicionamiento, fabrique una plantilla de retorno y mecanice las estructuras en 3 lados sucesivamente.

Este detallado proceso de mecanizado garantiza la fabricación precisa del soporte del estátor, cumpliendo con los requisitos del mecanismo del hombro del exoesqueleto.

Carcasa mecanizada del exoesqueleto robótico

La carcasa del exoesqueleto robótico también es un componente crítico en el diseño general de un exoesqueleto de rehabilitación del miembro superior, proporcionando un recinto protector y funcional para los complejos mecanismos internos. Al igual que la precisión requerida para el soporte del estátor mecanizado, la carcasa exige atención durante el proceso de fabricación para garantizar un rendimiento óptimo.

La carcasa, al igual que el soporte del estátor, utiliza AL6061-T6. Al mecanizar las piezas de la carcasa, también debe prestarse atención a tolerancias dimensionales específicas para lograr una alineación y un ensamblaje adecuados con otros componentes del exoesqueleto. Particularmente aquellas que afectan los puntos de fijación y la interfaz con otros módulos deben controlarse estrictamente para garantizar un ajuste preciso.

Además, mantener la integridad estructural de la carcasa es primordial. Las áreas con paredes delgadas o características intrincadas requieren un mecanizado cuidadoso para evitar deformaciones o debilidades.

Acabado superficial para robot exoesqueleto personalizado

Dado que las piezas del exoesqueleto se utilizan repetidamente y las piezas de tipo carcasa son visibles para los usuarios finales, la mayoría de estas piezas del exoesqueleto necesitan un postratamiento para hacerlas estéticamente agradables y resistentes a la corrosión. Para las piezas de aluminio del exoesqueleto en este caso, la solución más apropiada es el chorreado con arena y luego el anodizado.

Por lo tanto, hacemos una limpieza inicial de todas las piezas de aluminio, seguida de chorreado con arena y anodizado. Por un lado, el chorreado con arena oculta las trayectorias de las herramientas de mecanizado y las marcas de escalones, dando a las piezas mecanizadas del exoesqueleto un acabado 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 realza la apariencia del exoesqueleto.

Inspección de calidad

En Sendot Technology, todas las piezas deben pasar por una estricta inspección por parte del equipo de control de calidad antes del envío, especialmente las piezas con altos requisitos de precisión y apariencia. Nuestra inspección de estas piezas de robots exoesqueletos incluye dos aspectos principales: la apariencia y las dimensiones.

Apariencia

Dado que estos componentes del exoesqueleto deben colgarse en el árbol de sujeción durante el proceso de oxidación, se rayarán si no se tiene cuidado al retirarlos. Por lo tanto, durante la inspección, las piezas deben colocarse a una distancia de 20 cm de los ojos para una inspección cuidadosa. Además, todas las piezas están montadas en el mismo robot, y la uniformidad del color oxidado de las diferentes piezas es especialmente importante. Después de la comprobación, la apariencia y el color alcanzan el efecto deseado.

Dimensiones

Al analizar cuidadosamente las piezas mecanizadas del robot exoesqueleto, nos centramos en comprobar los diámetros, la tolerancia de posición y el espaciado de los orificios. Para las especificaciones geométricas como la planitud y el paralelismo, utilizamos una CMM para asegurar que se cumplan las tolerancias del cliente. Si bien esto lleva mucho tiempo de inspección, Sendot Technology garantiza que todas las dimensiones críticas se encuentren dentro de la tolerancia.

Los informes de inspección muestran que logramos una precisión aún mayor que la solicitada.

Elija Sendot Technology para apoyar su robótica de exoesqueletos mecanizados

Aquí en Sendot Technology, estamos comprometidos a ofrecerle componentes de robots exoesqueletos finamente mecanizados, estéticamente agradables y seguros de usar. Sendot Technology ha producido muchas piezas de robots exoesqueletos con una rica experiencia; adoptamos procesos de gestión eficaces para garantizar la fiabilidad en el mecanizado de robots exoesqueletos. Desde el prototipado hasta la producción, nuestro equipo se asegura de que cada proyecto de robot exoesqueleto se realice a la perfección.

Es más, con capacidades integrales de mecanizado, incluidos el fresado CNC, el torneado, la electroerosión por hilo, la impresión 3D, el acabado superficial, etc., Sendot Technology puede satisfacer sus diversos requisitos de mecanizado y entregar productos de alta calidad como usted desee.

También prestamos más atención a la garantía de calidad. Nuestro departamento de control de calidad siempre comprueba cada pieza mediante un procedimiento estricto, asegurándose de que no haya ninguna deficiencia en ningún producto. Nos enorgullece alcanzar estándares aún más altos que los solicitados por nuestros clientes. Si busca un fabricante de robótica de exoesqueletos mecanizados, simplemente contacte a Sendot Technology, y ¡gestionemos sus proyectos con servicios integrales!