Производитель компонентов для ног человекоподобных роботов

Радиус скругления — это единственный геометрический параметр, оказывающий наибольшее влияние на усталостную долговечность, однако чаще всего он остается лишь примечанием к чертежу, а не основной характеристикой контроля. При шаге плеча руки вилки на 8 мм под моментом отведения 200 Нм, скругление с радиусом R1.0 мм создает концентрацию напряжений Kt≈3.7 и знакопеременное напряжение ≈185 МПа в сплаве 7075-T6 — выше предела выносливости ≈160 МПа, что означает усталостное разрушение менее чем за 10⁷ циклов (примерно 3×10⁶). Увеличение радиуса до R3.0 мм снижает Kt до ≈2.3 и напряжение до ≈115 МПа — ниже предела выносливости, что фактически означает неограниченную усталостную долговечность при данной нагрузке. Скругление, обработанное на 1.0 мм меньше расчетного размера (R2.0 мм против R3.0 мм), по-прежнему проходит визуальную проверку, но снижает ресурс усталости примерно до 2×10⁷ циклов — на грани достижения 5-летнего целевого показателя. CNCPioneer проверяет каждое критически важное для усталости скругление с точностью до ±0.05 мм с помощью оптического компаратора, поэтому расчетный коэффициент запаса прочности соответствует фактическому значению, используемому при поставке.

Три измеримых эффекта. Боковое отклонение при ходьбе: асимметрия расстояния между центрами коленных кронштейнов на 0.010 мм между левой и правой ногами приводит к разной эффективной длине голени, поэтому идентичные траектории движения суставов приводят к разным положениям стопы вперед на каждом шаге — более 1,000 шагов, что в сумме составляет примерно 10 мм бокового отклонения траектории, снижая эффективность ходьбы на 3–5% при коррекции. Двусторонняя асимметрия крутящего момента: разница в массе 10 г между левой и правой голенями сдвигает частоту колебаний маятника обеих ног примерно на 0.15%, вызывая асимметричные крутящие моменты в тазобедренных суставах для симметричного времени шага. Двусторонняя асимметрия податливости при стоянии: разница в плоскостности платформы датчика F/T между стопами приводит к различным измеренным силам реакции опоры при одинаковом фактическом контакте, поэтому контроллер баланса реагирует асимметрично на симметричное положение тела, что проявляется в боковом раскачивании тела. В рамках двусторонней программы CNCPioneer разница в межосевом расстоянии между парами образцов не должна превышать 0.005 мм, разница в массе – 0.5 г, а разница в плоскостности F/T – 0.003 мм.

Четыре повторяющихся режима. Усталостное растрескивание рычага вилки бедра в корневом скруглении, вызванное скруглением, обработанным ниже проектных параметров, или правильно обработанным, но недостаточным по размерам согласно первоначальному анализу нагрузки при ходьбе — предотвращается проверкой с помощью оптического компаратора с минимальным радиусом, заданным в соответствии с требованиями DFM, плюс ±0.05 мм, с возможностью дополнительной дробеструйной обработки. Изгиб голени в коленном конце при ударе пяткой, вызванный стенкой тоньше расчетной или внутренней концентрацией напряжений в основной зоне нагрузки — предотвращается спецификацией DFM с минимальной толщиной стенки, ультразвуковой проверкой в ​​процессе производства и правилом проектирования, запрещающим обработку элементов в пределах 30 мм от торцевых поверхностей колена и голеностопного сустава. Разрушение выступа корпуса голеностопного сустава в точке входа нагрузки при ударе пяткой — предотвращается спецификацией и проверкой скругления в корне выступа, минимальной толщиной стенки 5 мм и возможностью модернизации до сплава Ti-6Al-4V для программ с максимальной полезной нагрузкой. Растрескивание каркаса подошвы стопы в зоне изгиба передней части стопы при многократных нагрузках отталкивания предотвращается за счет спецификации скругления, качества поверхности Ra 0.8 мкм и проверки минимальной толщины стенки в месте перехода. Все четыре проблемы решаются в рамках стандартного анализа DFM, проводимого CNCPioneer, и не обнаруживаются после эксплуатации в полевых условиях.

Алюминий 7075-T6 (прочность на растяжение ≈160 МПа) подходит для большинства стандартных программ для человекоподобных моделей ног при коммерческой скорости ходьбы — разработанная геометрия вилки бедра поддерживает изгибающее напряжение ниже 120 МПа, что в 1.33 раза превышает запас прочности при 10⁷ циклах. Титан Ti-6Al-4V (прочность на растяжение ≈500 МПа, в 3.1 раза выше) становится необходимым, когда номинальный момент отведения бедра превышает примерно 250 Нм, поскольку это повышает напряжение в рычаге вилки из 7075-T6 выше 130 МПа и снижает запас прочности по усталости ниже целевого значения. Магний AZ91D жертвует запасом прочности по усталости (прочность на растяжение ≈70 МПа) ради самой низкой доступной плотности, подходящей для дистальных частей голени и панелей стопы, где инерция колебаний важнее, чем запас прочности по пути передачи нагрузки. Сталь 17-4PH H900 и 42CrMo4 подходят для работы с малогабаритными, высоконагруженными элементами, такими как выходные фланцы и вставки валов приводов, где определяющим фактором является соотношение жесткости и веса при компактном поперечном сечении. В рамках анализа DFM (проектирование с учетом технологичности) CNCPioneer расчет усталости производится для каждого компонента отдельно, а не по умолчанию используется один материал для всей опоры.

Прототип: кронштейн для коленного сустава — 5–7 рабочих дней; корпус кластера тазобедренного сустава с 3 степенями свободы (5-осевой) — 10–14 дней; корпус дифференциала голеностопного сустава с 2 степенями свободы (5-осевой составной канал) — 9–14 дней; рама подошвы стопы с платформой датчиков F/T — 5–7 дней; полный комплект для одной ноги — 18–25 дней; полный комплект для обеих ног с проверкой симметрии — 22–30 дней. Пилотное производство (25–100 комплектов для обеих ног) занимает 5–7 недель на партию, включая подбор симметричных пар; квалификация PPAP уровня 3 занимает 6–8 недель с момента получения полных пилотных данных. Серийное производство отгружается ежемесячно с интервалом в 2–3 недели — годовая мощность составляет более 50 000 комплектов для обеих ног для 5-осевых программ тазобедренного/голеностопного сустава и более 200 000 для программ с кронштейном для коленного сустава и трубкой для голени. В репрезентативном масштабе кронштейн для коленного протеза, стоящий 145 долларов США по ценам американского прототипа, обходится в 85 долларов США по ценам прототипа CNCPioneer и в 32–38 долларов США при годовом объеме производства 5,000 двусторонних протезов — с учетом 50–80 уникальных артикулов для одной ноги, что позволяет сэкономить примерно 2,000–4,500 долларов США на одном двустороннем комплекте по сравнению с закупками внутри США.