外骨骼–仿生学

Scott Xiong | 9月 28, 2020

外骨骼在动物界广泛存在,这为人们提供了解决问题的思路。

节肢动物的外骨骼和哺乳动物的内骨骼一样,都能帮助稳定支撑身体重量。为什么不将两个系统的优点相互结合?

内骨骼(身体内部)很坚固,而且具有众多关节,非常灵活。它位于身体和四肢内部,由肌肉和韧带支撑。这些肌肉和韧带将各个灵活关节固定在一起,并在传递力的同时支撑它们。

这提供了所有在运动中需要的要素,使得举升,保持,站立等成为可能。

工业上的需求

在日常工作中,高强度的工作以及不断重复的机械劳作,某种程度上超出了我们人体所能达到的极限,对我们提出了新的要求。设想一下我们自己动手刷家里天花板油漆的场景。我们需要把油漆辊尽可能举高,脑袋后仰,脖子努力向后弯曲。在这个时候,我们就能明白为什么有些行业的工作工伤概率为什么这么高,韧带、关节、肌肉总是处于极限和紧绷状态。

在2017年的德国健康保险评估中,由于肌肉骨骼系统问题导致的工伤休假在所有疾病中排名第二。

资料来源:TechnikerKrankenKasse TKK,2017年工伤证明最常见原因的统计数据

这些统计中,不仅仅包含了不正确的坐姿或者是不符合人体工程学的工作场所带来的工伤,还反映了工作本身的情况,比如频繁的负重,高空作业,以及机械式的工作等。

外骨骼的应用是应对这些“沉重”工作的有利帮手。

外骨骼是主动还是被动?主动总是很好,但是:

通常,我们将两种类型的外骨骼区分开来,“主动”式外骨骼和被动式外骨骼。

主动式外骨骼——由执行器和外部能量供应驱动。

被动式外骨骼——通过平衡系统提供必要的力来支撑身体,从而缓解肌肉。

“被动式”外骨骼就像有外力帮助的举重

105kg级(体重最重的级别)举重世界纪录“仅”为:264kg。

轻量级运动员的可以举起自身体重的3倍以上的重量,而重量级运动员只能举起自己体重的2.5倍左右的重量。

被动式外骨骼是基于仿生学领域的灵感

节肢动物总是使用轻质材料来作为外骨骼(我们可以称为“盔甲”),例如石灰石或者几丁质。工业外骨骼需要由人来穿戴,这就限制了设备的重量和待机时间。如果手臂得到加强,但导致背部重量太重,以至于在短时间工作后,人体就承受不住。明显,这并不是一个好方案。

因此,我们需要更多地利用塑料的优点。

首先,重量。框架部件和弹簧等尽可能选用聚合物(如CRP),万不得已的情况下才使用金属,钛或铝是不错的选择。

由于需要将不同的“外骨骼”进行连接,因此存在许多不同的关节。这里,最好与“真实的”人体关节平行工作。

塑料的主要优点:

重量减轻了80%,但所需的安装空间相同,这是根据ISO 3547-1所示例的相同滑动轴承的比较。更轻的重量对于效率非常重要,在各行各业中都如此。

与滚珠轴承的比较(内径同为10mm):

规格为6000-2RS(带密封圈)的滚珠轴承,重量约为6-19克,这个重量是塑料轴承3倍以上。

塑料解决方案的另一个优势——可以使用更轻量的销轴

轻质结构另一方面也需要重视,转动关节的销轴动销也需要轻量化。

当然铝的密度只有钢的三分之一,但对弯曲更敏感。如果要获得相同的抗弯强度,则必须选择更大的尺寸销轴,但是这样一来,重量优势也会逐渐丧失……。但是经验表明,系数为1.3到1.5的尺寸放大就足够了。

而如果使用钛合金,则几乎不需要放大尺寸。

摩擦和磨损

摩擦系数和磨损情况,这是滑动轴承设计的关键点。

理想情况下,忽略了诸如灰尘,腐蚀等外部因素的影响,滚珠轴承几乎不会磨损,并且具有最佳的摩擦系数。但是:它们通常太重且太昂贵。

在选定轻量化销轴(铝合金轴)的情况下,考虑不同材料的摩擦系数,则可以发现明显的差异。(所有测试均在相同条件下进行)

这些“轻质轴”上的滑动轴承的磨损率也是如此。

重量更轻,摩擦系数更小,磨损更少。

总而言之,我们有理由相信使用塑料轴承是一个非常合理的方案。

作为在家用外骨骼的先驱,我们的客户也有报告,例如:(您可以点击下图跳转到详细页面阅读)

新型的外骨骼机器人

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