Почему это важно?

Представьте себе: вам нужно что-то поднять или удержать. Вместо того чтобы напрягаться самому, вы просто надеваете экзоскелет, а он уже делает всю работу за вас. Но есть одна проблема — как сделать так, чтобы эта механическая рука не превратила хрупкий предмет в кучу мусора? Именно эту задачу я и попытался решить.

Концепция и задачи

Итак, первым делом нужно было определиться с задачами. Я решил, что захват должен:

• Усиливать силу хвата оператора.

• Быть эргономичным, чтобы человек чувствовал себя комфортно.

• Иметь возможность удерживать объекты разной формы и размера.

• Сохранять мелкую моторику пальцев, чтобы можно было открывать двери, нажимать на кнопки и тому подобное

Кинематическая схема

Следующим шагом был синтез кинематической схемы. Если коротко, то это условный чертеж, который показывает, как все части механизма двигаются. В данном случае я использую только набор шарниров вращения (A, B, C, D, E, F, G, H) и поступательное перемещение пневмоцилиндра (привод Р). Все это вместе позволяет перемещаться по траектории, наиболее приближенной к траектории сгиба пальцев человеческой руки. При этом, с минимальным количеством деталей!

Задаемся размерами

Размеры звеньев были рассчитаны на основе средних антропометрических данных человека:

• Длина предплечья: 260-280 мм.

• Ширина ладони: 80-100 мм.

• Длина пальцев: 100-120 мм.

Эти параметры помогли определить геометрию звеньев и расстояние между шарнирами. Использование антропометрических данных гарантирует биомеханическую совместимость устройства с руками оператора.

Отталкиваясь от габаритов пневматического привода и его хода, определяются размеры звеньев рычагов механизма CH, BC, AI.

3д моделирование

Здесь начинается самое интересное. Взяв за основу кинематическую схему и расчетные размеры, я создал 3D-модель захвата в программе Fusion 360. Эта модель включала:

• Полный набор компонентов (звенья, шарниры, крепления).

• Крепежные элементы.

• Нейлон PA6 как основной конструкционный материал.

Детали получились сложной формы, поэтому на этапе проектирования я отталкивался от того, что они будут напечатаны из нейлона на 3д принтере (поэтому такая толщина). Но если у вас нет 3д принтера, способного печатать инженерными филаментами, то в целом подойдет и популярный ABS или PLA, но прочность будет ниже.

Схема сборки

Схема сборки устройства включает следующие детали:

• 1. Ложе для пальцев.

• 2. Тяги 2 пина.

• 3. Тяги 3 пина.

• 4. Болт М6

• 5. Гайка М6.

• 6 .Основа ладони.

• 7. Тяга для привода на 2 пина.

• 8. Двухосевая основа запястья.

• 9. Радиусная направляющая привода.

• 10. Шарнирная основа каркаса предплечья.

• 11. Соединение тензодатчиков.

• 12. Тензодатчик.

• 13 Точка крепления к локтевому каркасу экзоскелета

Подвижность

«Тангаж» в запястном суставе согласован с движением пневмоцилиндра. Это решается установкой шарнирного наконечника, что дает отклонения в пределах 10-15 градусов.

Итоги

Разработанный захват для экзоскелета обладает высокой эргономичностью и функциональностью, ну а скачать 3д модель можно здесь