运动中的外骨骼

传感器,CAD模型和基于人的竟彩篮球促进了可穿戴外骨骼的发展。

传感器,CAD模型和基于人的竟彩篮球促进了可穿戴外骨骼的发展。

EksoVest是一种上身的外骨骼,可以举起并支撑工人的手臂,以协助他们进行胸高和高空作业。EksoVest由轻质材料制成,包括碳纤维网和金属管框架。图片由Ekso Bionics提供。


可穿戴设备赋予了他们令人难以置信的能力,使仓库工人可以举起重物,获得非凡的耐力,并使残疾人能够恢复失去的某些能力。这些称为外骨骼(exoskeletons,exos)的设备可与用户一起使用,从而增强,增强和恢复人类的表现。外装可以由刚性材料(例如钢)和柔软的部件(例如弹性织物)组成。这些设备可以处于活动状态—由执行器和电池供电—无论是被动式还是被动式,它们都可以移动或静止,并覆盖整个身体或仅一个身体部分。

外在与人体之间的关系—所有操作变量以及无缝交互的需求—对竟彩篮球工程师提出了巨大的挑战。额外的复杂性加剧了这些困难,迫使开发团队面临可用性,可负担性和竟彩篮球灵活性等问题。

刚刚开始

在一定程度上,这些挑战只是技术的反映。’的演变。 Exos对不同的用户和行业代表不同的事物,而技术’复杂性排除了一个明确的定义。事实是,exokeleton技术正在不断发展和自我革新。

一旦被认为只是一种新颖,外骨骼就开始证明其实用价值。根据ABI研究报告,“机器人外骨骼:类别,市场和应用(bit.ly/2qL2ypx),截至2018年,全球外骨骼出货量将为7,000个。这家研究公司预计,到2023年,总出货量将超过91,000,到2028年将达到301,000。

推动Exo动量的力量

许多因素促进了exo的采用。例如,初创公司通过改进驱动器,材料和电源子系统显着增强了这些系统。现在,新的电池技术有望为exo-suit供电长达8个小时。

此外,整体市场状况正在改善。政府政策的变化创造了日益友好的监管环境。同样重要的是,发达国家的劳动力老龄化和系统性技能短缺给公司施加了压力,要求公司增加对员工的投资,而外派人员则成为提高生产力的力量倍增器。

市场分析师预测,采用外骨骼系统可以减少因人身伤害而造成的工时损失,从而为公司节省数十亿美元。大型一级公司和原始设备制造商(OEM)(例如福特汽车公司)最近加快了技术部署的步伐,福特汽车公司最近为15家工厂的员工推出了外骨骼计划以及全球七个国家。

为什么不仅仅使用机器人?

这些好处吸引人的是,在这个自动化程度不断提高的时代,为什么在可以使用机器人的情况下部署exos?

答案是工业部门不是 ’准备将人员从其业务中撤出。尽管exos使人类能够在工业环境中更有效地执行物理任务,但是人类提供了当前机器技术无法比拟的要素:敏捷智能。工业流程通常太复杂而无法使用当前系统实现自动化。

这就是exo技术发挥作用的地方。 Exos可以充当极端的,完全手动的,非技术支持的任务与那些需要传统工业机器人的过程之间的桥梁。 exo-human混合动力系统提供了一种解决方案,该解决方案利用了操作员的智能以及机器的强度,精度和耐久性。

定义概念,问题和规格

外骨骼的开发不同于更成熟的产品的创建,因为工程师需要与之抗衡并结合的不确定元素数量众多。 

“规范和概念步骤对于外骨骼非常重要,对于那些非常新的技术/产品,因此具有广泛的开放性和未知的竟彩篮球空间,它们通常同样重要。”福特公司与之合作的Ekso Bionics的资深科学家Adam Zoss说。

在开发exos时,竟彩篮球师必须兼顾各种看似矛盾的功能。缺乏指南和基准使权衡概念和规格之间的权衡更具挑战性。

符合人体工程学竟彩篮球的Comau’基于弹簧的MATE外骨骼提供的竟彩篮球有望适应不同的身体形状和大小,并具有肩部尺寸,躯干高度和腰带调节系统。 图片由Comau提供。

舒适度/可用性与耐久性/性能

尽管exo竟彩篮球空间似乎杂乱无章,但每个产品和应用程序都需要自己独特的一组要求,但某些参数几乎具有通用性。例如,在exo竟彩篮球过程中几乎总是会遇到一个主要挑战,即需要在保持足够强度和耐用性的同时,使框架尽可能小巧轻巧。由于外骨骼是可穿戴设备,因此设备越小越轻,它们就越舒适和实用。

“我们通过市场调查确定,设备的舒适性对于产品的成功至关重要,”Ekso Bionics的高级机械工程师Kevin Dacey说。“归根结底,无论我们通过设备的功能提供了什么功能,如果不是’为了舒适起见,最终用户不会整天佩戴它。舒适的关键因素是外骨骼的实际重量。”

“将外骨骼与3D人形模型匹配,揭示了可用软件工具的局限性。”

—安德里亚·伊瓦尔第(Comrea)

同时,在公司中可以看到耐用性的重要性’与客户的经验。“福特汽车公司的最终用户每天在组装车辆时最多可举起手臂4,600次,” says Dacey. “That’每年超过一百万次。我们的设备[Ekso背心]需要提供可靠的耐用性,同时还要在使用数年后暴露于这种循环中。”

在相关的问题中,竟彩篮球人员必须权衡组件强度与系统性能之间的关系。在此,竟彩篮球人员必须在给定成本和可靠性约束的情况下确定致动和传感硬件的最佳强度。

模块化提供合适的配合

竟彩篮球师面临的另一个主要挑战’需要满足潜在的互斥目标的需求。一方面,exo必须与佩戴者紧密结合。另一方面,竟彩篮球必须具有灵活性以适应尽可能广泛的用户。

“开发外骨骼方面最具挑战性的障碍之一是如何最好地竟彩篮球一个可以容纳大量用户的系统,”洛克希德·马丁公司高级通信代表安东尼·米克尔说,洛克希德·马丁公司提供用于工业用途的FORTIS外骨骼和用于军事目的的ONYX外骨骼。“人体测量学或身体类型,大小和体重的变化很大。”

出于实际目的,通常将外骨骼竟彩篮球为通过调整适合所有(或大多数)装置的一种。目标是竟彩篮球设备,使其具有模块化的功能“为不同的用户选择合适的尺寸和支持级别非常容易, ”悬浮技术的联合创始人兼市场和业务开发副总裁Joseph Zawaideh说,悬浮技术已发布了一款名为AIRFRAME的可穿戴外骨骼。

说起来容易做起来难,部分原因是竟彩篮球人员可以使用的工具存在缺陷。“人为因素数据和工具或人为模型可以在这方面提供帮助,但它们远未达到帮助竟彩篮球与可穿戴设备相关的所有挑战所需的详细程度,” says Zoss.

竟彩篮球工具:成功与失败

随着更多传统设备的开发,建模和仿真在外装竟彩篮球中起着重要作用。开发团队使用实体建模CAD和CAE程序来开发工程图,同时利用ECAD / EDA软件创建电子子系统。

在竟彩篮球过程的后期,竟彩篮球人员使用各种仿真工具来评估竟彩篮球功能,结构强度和动态特性。例如,竟彩篮球人员广泛使用有限元分析(FEA)软件来评估exo组件的机械强度,并平衡各个子系统的大小,重量和强度。“[FEA]为我们提供了重要的见解并提高了设备​​的性能,”Fiat Chrysler Automotive的子公司Comau的产品营销经理Andrea Ivaldi说,他专注于工业自动化,并推出了MATE 柯马 Exoskeleton。

竟彩篮球团队还使用数学建模来优化机械性能,并使用动力学仿真来评估exo的动态特性。’s moving parts.

那 said, shortcomings in modeling tool functionality hinder handling features unique to exo design, where the challenge is to tightly integrate the exo with the person wearing it. For example, 计算机辅助竟彩篮球 models of people generally scale in the major dimensions, such as height, width and leg length, but they fall short in representing smaller aspects, such as calf size. 

此外,这些模型不能代表主要的身体形状差异。创建适合每个人的竟彩篮球’身体的形状,与关节对齐并以舒适的方式附着会出现问题。

“将外骨骼与3D人形模型相匹配,揭示了可用软件工具的局限性,” says Ivaldi. “主要限制是人体形状的变化以及人体能够进行的动作的复杂性。”

传统仿真工具的局限性也带来了问题。“必须尊重人体的生物力学并为用户提供最大的运动自由度,” says Ivaldi. “不幸的是,模拟工具在表示人体可以运动的形状和形状范围方面仍然提供有限的可靠性。”

为了弥补这些限制,许多开发团队转向使用最终用户的广泛测试活动。这种方法依赖于经过多个原型竟彩篮球和测试阶段的迭代过程。

“我们的团队开发了竟彩篮球的顺序更新,并使用快速原型技术对其进行了测试,” says Ivaldi. “每个原型都在实验室和实际应用中进行了测试。在测试阶段,从最终用户那里收集了有关设备功能和可用性的直接反馈。这种方法确保了不同运营商的整合’最终版本中的需求。”

数字人体建模软件的发展

为了应对传统竟彩篮球工具的局限性,软件提供商现在提供了许多适合人体工程学仿真的3D 计算机辅助竟彩篮球 软件包。这些数字人体建模(DHM)软件工具使人体模型能够与CAD环境中的虚拟产品和工作场所进行交互。

如今,市场上提供了许多适合人体工程学仿真的软件包。例如,西门子NX Human—基于Tecnomatix Jack技术—可以在不离开竟彩篮球环境的情况下快速评估装配,间隙和伸出范围问题。

DHM软件的另一个示例是AnyBody建模系统,该系统允许竟彩篮球人员创建详细的肌肉骨骼模型并运行将人体整合到产品竟彩篮球中的计算机仿真。

达索系统èmes的Delmia人机工程学专家产品中还包括DHM工具。在此平台上,竟彩篮球人员可以将人体模型放入3D模型中,以评估人与产品或工作场所的互动。

看大图

尽管存在竟彩篮球方面的挑战,但exos在车间和其他行业中却获得了动力。软件供应商已经为竟彩篮球工具注入了功能,这些功能有望帮助工程师解决新出现的人体工程学问题。开发人员已经增强了建模和仿真功能,使竟彩篮球人员能够开发外骨骼,从而开始满足为广泛采用打开大门所需的价格与性能最佳点。

除了技术的短期前景之外,这些设备的激增将如何影响其他工业机械和自动化系统的竟彩篮球?现在说还为时过早。 Exos才刚刚开始发展。根据当前的技术水平,exos对车间中人为因素的影响大于机械和系统。

“I actually don’认为广泛部署exos会对根本的机械和系统竟彩篮球产生非常重大的影响,” says Ekso Bionic’s Zoss. “如今,绝大多数外骨骼的目的不是使人们超人,而是使人们在没有外骨骼的情况下可以轻松,安全和/或宽容地完成任务。因为外星人’不允许人们做他们做不到的事情’在此之前,无论佩戴或不佩戴exo,人们与机器和系统交互的方式都是相同的。”

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汤姆·凯文(Tom Kevan)是一名自由撰稿人/编辑,专门从事工程和通信技术。通过联系他 (必须启用JavaScript才能查看此电子邮件地址)。.

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