Longsheng

في مجال الآلات الصناعية ، أصبحت المفاصل البايونية مكونًا رئيسيًا في الروبوتات والأطراف الطبية وأجهزة الإنتاج الراقية بسبب مرونتها الممتازة ومتانتها. مع زيادة عدد منتجات المشتركة المشتركة في السوق ، تظهر مشكلة تدهور الأداء بعد الاستخدام طويل الأجل تدريجياً. في التطبيقات العملية ، تتمتع العديد من المفاصل البايونية بملابس غير طبيعية ، والتشويش الميكانيكي وحتى الكسور الهيكلية ، والتي لا تتداخل مباشرة مع التشغيل الطبيعي للمعدات ، ولكنها تؤدي أيضًا إلى انخفاض في دقة تشغيل الذراع الآلي والانخفاض الحاد في كفاءة العمل. ما هي المشغلات الرئيسية وراء هذه الإخفاقات المتكررة؟ وكيفية تمديد عمر خدمة المفاصل البايونية من خلال الوسائل التقنية؟ بعد ذلك ، ستجمع هذه المقالة بين الحالات الفعلية والبيانات التجريبية لتحليل الأسباب الأساسية لعمق لفشل وظيفة المفصل البونيك ، ومناقشة الحلول الممكنة لتحسين متانتها من خلال التصميم الأمثل.

أزمة لوحة التسليح الكهرومغناطيسية: التوهين المغناطيسي يسبب فشل المفاصل البيوني

تحليل استدعاء مفصل الركبة BioLimb bionic في كوريا الجنوبية
في عام 2023 ، تم استدعاء مفصل الركبة البيوني التي أنتجتها شركة Biolimb في كوريا الجنوبية بسبب العيوب الفنية. وفقًا لتقرير إدارة الأغذية والعقاقير (FDA) ، أدى الانخفاض في نفاذية لوحة تسليح المنتج إلى فشل وظيفة قفل المفصل ، ووصل معدل السقوط للمرضى بنسبة 37 ٪. يتم تصنيف الاستدعاء ، الذي يتضمن 24000 مريض في 12 دولة في جميع أنحاء العالم ، بواسطة إدارة الأغذية والعقاقير (FDA

المشكلات الرئيسية للحلول التقنية التقليدية

1. قيود أداء لوحات تسليح الصلب السيليكون

• أعلى نفاذية هي 1.8T فقط ، والتي لا يمكن أن تلبي احتياجات الاستخدام عالي التردد
• عمر الخدمة القصيرة: توهين مغناطيسي بنسبة 42 ٪ بعد 2 مليون دورة بتردد استخدام قياسي قدره 5000 دورة في اليوم
• العيوب الهيكلية: تؤدي عمليات الختم التقليدية إلى محاذاة المجال المضطربة وزيادة 15 ٪ في خسائر تيار الدوامة

2. مشاكل نظام التشحيم

• تصميم دائرة الزيت غير معقول ، ويتجاوز انخفاض ضغط خط الأنابيب مباشرة 3.5mpa
• نظام الترشيح ليس مثاليًا ، ولا يمكن ترشيح جزيئات 5-15 ميكرومتر بشكل فعال
• أداء الطلاء السطحي غير كافٍ ، والصلابة هي فقط HV800 ، ومعامل الاحتكاك يصل إلى 0.12

حلول تكنولوجيا مبتكرة

1. اختراق في مواد السبائك غير المتبلورة القائمة على الكوبالت

• تزداد النفاذية إلى 2.4T ، والإكراه أقل من 0.5A/M
• يتم اعتماد عملية الصلب الفراغي ، ويتم التحكم في محتوى الأكسجين في حدود الحبوب أقل من 50ppm
• تقنية الحفر بالليزر تحقق دقة ± 2μm وتقلل من الخسائر الحالية الدوامة بنسبة 40 ٪
• بعد 6 ملايين اختبار ، لا يزال معدل الاحتفاظ المغناطيسي 90 ٪

2. الابتكار نظام التشحيم bionic

• يتم اعتماد تصميم قناة التدفق الكسري المكون من ست مراحل ، ويتم تقليل انخفاض الضغط إلى 1.1mpa
• مزود بنظام التنظيف الذاتي بالموجات فوق الصوتية ، وتردد العمل 28 كيلو هرتز ± 5 ٪
• يتم تطبيق طبقة DLC ، والصلابة هي HV3500 ، ومعامل الاحتكاك هو 0.03
فقط

التحقق من تأثير التطبيق العملي

1. اختبار القدرة على التكيف مع درجة الحرارة

• تقلبات التدفق المغناطيسي أقل من 3 ٪ على مدى درجة الحرارة -20 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية

2. اختبار المتانة

• تم اختباره وفقًا لـ ISO 14708-1: 2014 ، يتم زيادة وقت حدوث التعب بمقدار 8 مرات

3. التوافق الحيوي

• اختبار السمية الخلوية ISO 10993-10 مع هطول الأمطار النيكل أقل من 0.02 ميكروغرام/سم مربع في الأسبوع

Outlook Outlook
تحدد هذه التكنولوجيا المبتكرة معيارًا جديدًا للقابلات الكهرومغناطيسية من الدرجة الطبية ، ومن المتوقع أن يتم تحضيرها في الأجهزة الطبية المتطورة مثل مضخات القلب الاصطناعية والمنظمات العصبية في السنوات الثلاث المقبلة. وفقًا لتحليل الصناعة ، من المتوقع أن تمتد دورة صيانة الروبوتات الصناعية التي تستخدم تقنيات جديدة من 800 ساعة إلى 5000 ساعة ، مع معدل نمو سنوي مركب قدره 29.7 ٪. في الوقت الحاضر ، تم تطبيق هذه التكنولوجيا بنجاح على الحقول المتطورة مثل أنظمة Servo Aerospace ومغزل أداة Machine Precision.

"تجلط الدم" في توزيع زيت التشحيم: كيف يدمر Micron انسداد الدقة

1. الحالات الكارثية في المجال الصناعي
300 علب تروس ذراع روبوتية في مصنع للسيارات تعطلت بسبب تراكم جزيئات> 5μm ("تجلط الدم الميكانيكي") في دائرة زيت التشحيم. أدى ذلك إلى التآكل المفرط في علبة التروس ، ويكلف إصلاح واحد 7000 يوان ، مع خسارة إجمالية قدرها 2.1 مليون. تم إغلاق خط الإنتاج لمدة 72 ساعة ، وتم تخفيض إنتاج المركبات الكاملة بمقدار 1500 وحدة ، مما تسبب في خسائر اقتصادية هائلة.
2. العيوب المميتة لأنظمة التشحيم التقليدية
(1) القيود التقنية لتصميم دائرة الزيت التقليدية
إن بنية العداء غير معقولة: إن انخفاض ضغط خط الأنابيب المستقيم هو> 3.5MPa لا يزال الحطام الكاشط يتراكم ويسد بسهولة دائرة النفط.
حماية سوء حماية السطح: صلابة الطلاء العادية HV800 ، معامل الاحتكاك> 0.12 ، تآكل المكونات المتسارعة. تكاليف الاستبدال: انخفاض بنسبة 40 ٪ في عمر الإرسال وتكاليف الاستبدال السنوية بقيمة 580،000 دولار.
فقدان الطاقة العالي: الاحتكاك غير الطبيعي يزيد من استهلاك الطاقة بنسبة 22 ٪ ويزيد من تكاليف التشغيل.
3. حلول LS المبتكرة لتقنيات الاختراق
(1) تقنية microchannel pionic الكسرية
هيكل قناة التدفق المبتكرة: تم اعتماد هيكل كسري من 6 مراحل ، والذي يقلد الشبكة الشعرية البشرية ، تم تقليل انخفاض الضغط إلى 1.1mpa ، وتوسيع نطاق التدفق 95 ٪ ، ويتم توزيع الزيت. تقلل تقنية التحكم في الاضطراب من معدل ترسب جزيئات 5μm بنسبة 82 ٪ ، ويقترن بوحدة تنظيف ذاتية صدى 28 كيلو هرتز ± 5 ٪ للحفاظ على مسار الزيت غير محظور. 0.03 ، حتى معايير محرك Aero ، مما يقلل من التآكل المكون. درجة حرارة التشغيل - 50 درجة مئوية ~ 300 درجة مئوية ، معامل التوسع الحراري <5 × 10⁻⁶/° C.
(3) بيانات الأداء المقاسة
الضغط والنظافة: مستويات تلوث الزيت مستقرة في 16/14/11 مستويات أقل من ISO 4406 معايير النظافة. عمر المعدات.
وفورات الطاقة مهمة: يتم تخفيض استهلاك الطاقة للنظام بنسبة 18 ٪ ، مما يوفر 126،000 دولار في فواتير الكهرباء سنويًا ، مما يحقق وضعًا مربحًا للجانبين وحماية نظام البيئة. وفقًا لـ MarketSandMarkets ، من المتوقع أن تمتد دورة الصيانة لأنظمة محرك الروبوت الصناعية من 800 ساعة إلى 5000 ساعة في السنوات الخمس المقبلة ، مع معدل نمو سنوي مركب قدره 29.7 ٪. تم تمديد التكنولوجيا إلى حقول راقية مثل أدوات الطيران والفضاء ، ولها آفاق عريضة.

متمرد المواد تحت اختلافات درجات الحرارة القصوى: ختم الكوارث من القطب الشمالي إلى خط الاستواء

1. حالات فشل المعدات العسكرية
(1) فشل القدم الميكانيكية "CHEETAH 3" التابعة للجيش الأمريكي (رمز المشروع GH-9X)
① سبب الحادث:

تكسير هش في درجة الحرارة المنخفضة من لوحة التسليح (تأثير الصلابة في -40 ℃ هو 3J/cm² فقط)

تظاهر تصلب الزيت يؤدي إلى مربى نظام النقل (درجة حرارة نقطة صب -25 ℃)
② عواقب وخيمة:

ارتفع معدل فشل مهمة القطب الشمالي بنسبة 73 ٪

تكلفة الإصلاح لكل وحدة تجاوزت 120،000 دولار ، وتم إلغاء 12 قدمًا ميكانيكية مباشرة
③ تصنيف عيب المعدات: قرر Darpa أنه "فشل على مستوى النظام الحرج"

2. الضعف المميت للحلول المادية التقليدية
(1) عيوب مواد لوحة التسليح التقليدية
① هشاشة درجات الحرارة المنخفضة:

الاستطالة عند كسر فولاذ السيليكون التقليدي عند -40 ℃ أقل من 2 ٪

تقلب النفاذية المغناطيسية أكبر من 8 ٪ (المتطلبات القياسية ≤3 ٪)
② التمدد الحراري غير المنضبط:

تغيير الأبعاد عند اختلاف درجة الحرارة 40 ℃ يصل إلى 0.15 مم/م

يتجاوز الخلوص مع الختم المعيار بنسبة 300 ٪

(2) أوجه القصور في تصميم نظام زيت التشحيم
① ضعف القدرة على التكيف في درجة الحرارة:

نقطة صب زيت التشحيم المعدنية أكبر من -20 ℃

انخفاض اللزوجة ذات درجة الحرارة العالية لزيت الإستر الاصطناعي بنسبة 50 ٪ (في 80 ℃)
② عيوب التدفئة السلبية:

وقت الاستجابة لحزام التدفئة الخارجي أكبر من 180 ثانية

استهلاك الطاقة يرتفع إلى 15W/cm² ، مما تسبب في خطر ارتفاع درجة الحرارة المحلية

3. حل حالة العمل المتطرف
(1) لوحة التسليح المركب NDFEB-titanium
① ابتكار المواد:

بنية التدرج المركب 7 طبقات (NDFEB الطبقة المغناطيسية + طبقة دعم سبيكة التيتانيوم)

-60 ℃ زادت صلابة التأثير إلى 9J/cm² (3 أضعاف المواد التقليدية)

② الاستقرار المغناطيسي:

-50 ℃ ~ 150 ℃ تقلب النفاذية المغناطيسية ± 1.5 ٪

معامل التوسع الحراري تحسنت بنسبة 80 ٪

(2) نظام تزييت ذاتي التوقف الذاتي
① تقنية تكامل القنوات الدقيقة:

سلك مقاومة سبائك نيكل كروموم مضمن في جدار القناة (قطر السلك 50 ميكرومتر ± 2μm)

كثافة الطاقة 2W/cm² ، معدل التدفئة 8 ℃/ثانية

② نظام التحكم في درجة الحرارة الذكي:

مستشعر درجة حرارة PT1000 المزدوج الزائد (الدقة ± 0.1 ℃)

يحقق خوارزمية PID ± 1 ℃ التحكم في درجة الحرارة الديناميكية

(3) بيانات التحقق من البيئة المتطرفة
① اختبار درجة الحرارة المنخفضة:

-60 ℃ وقت البدء البارد <30 ثانية (النظام التقليدي> 300 ثانية)

لا فشل الختم بعد 200 دورة الصدمة الحرارية

② متانة درجة الحرارة العالية:

العملية المستمرة عند 120 ℃ لمدة 500 ساعة ، معدل الاحتفاظ بالزواج التشحيم> 95 ٪

فقدان لوحة التسليح <2.3W/kg (متطلبات قياسية عسكرية <5w/kg)

الأداء الشامل:

كفاءة الإرسال في ظل جميع ظروف العمل زادت بنسبة 22 ٪

ارتفع موثوقية النظام MTBF من 800 ساعة إلى 5000 ساعة

الإلهام التقني: المواد المركب المتدرج + التغلب على تكنولوجيا الإدارة الحرارية الذكية مشكلة تغيير درجة الحرارة التي لم يتم حلها لمدة 70 عامًا. اجتاز الحل شهادة MIL-STD-810H العسكرية القياسية. وفقًا لمعهد أبحاث العلوم والتكنولوجيا للدفاع الوطني ، ستعزز هذه التكنولوجيا أداء المعدات الخاصة مثل المعدات القطبية ومعالجات الفضاء بنسبة 400 ٪ ، وسوف تغطي 85 ٪ من الجيل الجديد من المعدات البسيطة العسكرية بحلول عام 2026. يمتد الحقل المدني إلى سيناريوهات عالية القيمة المضافة مثل أنظمة حافة متغيرة طاقة الرياح.

فخ التوافق الحيوي: عندما يتسبب تغلغل أيون المعادن في "التسمم"

1. فضيحة الامتثال الطبي
(1) حادث إصابة مفصل الكوع القابل للزرع
① سبب الحادث:

وصل ترسيب أيون النيكل إلى لوحة التسليح إلى 3.8 ميكروغرام/سم مربع/السنة (الحد القياسي ISO 10993-5 0.2 ميكروغرام/سم مربع)

تسبب الاختراق طويل الأجل في تلف الحمض النووي للخلايا اللمفاوية (علامة 8-OHDG ↑ 650 ٪ المكتشفة)
② عواقب وخيمة:

37 مريضا طوروا آفات الجهاز المناعي

دعوى الدعوى الجماعية مقابل 4.3 مليون دولار ، استدعاء المنتجات العالمية
③ العقوبات التنظيمية: أصدرت FDA أمر تصحيح 483 ، تعليق شهادة 510 (ك) للشركة لمدة 12 شهرًا

2. مخاطر السمية الحيوية للمواد التقليدية
(1) عيوب قاتلة للركائز المعدنية
① تخلل أيون غير خاضع للرقابة:

تغلغل سنوي من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L هو 0.5-1.2 ميكروغرام/سم مربع (أعلى 6 مرات من المعيار للزرع العصبي)

احتمالية تفاعل سبيكة الكوبالت والكروميوم التي تحفز من النوع الرابع هو 12 ٪
② عيوب المعالجة السطحية:

مسامية طلاء PVD التقليدية هي> 5/سم² (القيمة المسموح بها <0.3/سم²)

معدل التآكل الكهروكيميائي هو> 25μm/سنة (في بيئة سائل الجسم)

(2) مخاطر التلوث المتوسطة التشحيم
① سمية الزيت المعدني:

معدل طفرة منتج تحلل سلسلة الكربون ↑ 18 ٪ (اختبار AMES إيجابي)

معدل التحلل الحيوي> 15 ٪ في السنة ، ينتج عن المستقلبات السامة
② فشل الختم:

معدل تورم ختم المطاط التقليدي> 8 ٪ (في 37 ℃ ملحي)

التسرب السنوي هو 0.3 مل/مكون (القيمة المسموح بها <0.01ml)

3. LS Medical Rade Solution
(1) تقنية طلاء سيراميك النيتانيوم
① نظام حظر أيون:

ترسيب الضيق المغناطيسي لطلاء التدرج 50μm (بنية TIN/TICN/TIC ثلاثية)

نفاذية أيون <0.001μg/cm²/year (الوصول إلى مستوى صمام القلب الاصطناعي)
② التحقق الحيوي:

تم تمرير ISO 10993-5 اختبار السمية الخلوية (معدل البقاء على قيد الحياة> 99 ٪)

معدل الاحتفاظ بسمات الطلاء> 99.8 ٪ بعد مليون اختبار ارتداء

(2) نظام التزييت من الدرجة الطبية
① perfluoropolyether (PFPE) الابتكار:

الوزن الجزيئي 8000DA ، معدل التحلل الحيوي <0.1 ٪/سنة

تم تمرير اختبار السمية الجهازية الحادة من الفئة السادسة (LD50> 5000mg/kg)
② نظام الختم الذكي:

هيكل الختم المركب ثلاثي الطبقات (PTFE+FluororUbber+طلاء نانو كيراميك)

حجم التسرب <0.005 مل/سنة ، يتم التحكم في معدل التورم في حدود 0.3 ٪

(3) بيانات التحقق السريرية
① السلامة طويلة الأجل:

أظهرت بيانات المتابعة

لمدة 5 سنوات أن تقلب مجموعات الخلايا اللمفاوية كان أقل من 5 ٪ (كانت المنتجات التقليدية أكبر من 35 ٪)

أظهرت صور

التصوير بالرنين المغناطيسي تصنيفات معدنية صفرية (كانت مساحة قطعة أثرية للمنتج التقليدية أكبر من 4 سم مربع)
② الخصائص الميكانيكية:

كان

معدل التآكل أقل من 0.02 مم/مليون مرة (10 مرات أكثر صرامة من ISO 6474-1)

كان تحمل ضغط الختم الديناميكي أكبر من 8mpa (تلبية متطلبات الحمل الذروة للمفاصل الاصطناعية)
③ التسامح البيئي:

لا توجد علامات للتآكل بعد 5 سنوات من الانغماس في محلول كلوريد الصوديوم 3.5 ٪

كان

معدل الاحتفاظ بالأداء أكبر من 99.9 ٪ بعد تشعيع الأشعة 25kgy

كيفية جعل لوحة التسليح مواكبة سرعة الإشارات العصبية؟

1. حالة كارثة مزامنة الواجهة العصبية
(1) فشل الجراحة الدقيقة على يد bionic
① سبب الحادث:

تأخير استجابة لوحة التسليح التقليدية هو 5 مللي ثانية (سرعة التوصيل الإشارة الكهربائية العصبية هي 0.3-1ms فقط)

خطأ في قوة التغذية المرتدة يصل إلى ± 2.8n (الخطأ المسموح به لجراحة المجهرية هو <± 0.05n)
② عواقب وخيمة:

زاد معدل الفشل من 36 عملية إصلاح عصبية في مستشفى التعليم العالي بنسبة 58 ٪

تجاوز تعويض الإصابات الثانوية للمرضى 2.7 مليون دولار
③ تصنيف العيب الفني: "تم الحكم على نظام النقل الأساسي ليكون دون المستوى" خلال مراجعة شهادة ISO 13482

2. عيوب الاستجابة الديناميكية لألواح التسليح التقليدية
(1) الاختناقات في الخواص الفيزيائية للمواد
① reddy current خسارة خارج نطاق السيطرة:

Levelyalyloy التقليدية (سمك 0.5 مم) فقدان التيار الدوامة> 12W/kg

حالة عمل عالية التردد (> 200 هرتز) توهين النفاذية المغناطيسية 35 ٪
② التباطؤ استجابة الدائرة المغناطيسية:

تقليدي كثافة التدفق المغناطيسي للدوائر المغناطيسية من النوع C هي 1.3T

فقط

وقت تبديل التدفق المغناطيسي> 3 مللي ثانية (6 أضعاف سرعة انتقال الإشارة العصبية)

(2) المعضلة الرياضية لنظام التحكم
① تأخير خوارزمية PID:

دورة التحكم في الحلقة المغلقة التقليدية> 1ms

تأخير المرحلة يتسبب في تشوهات الموجة في التغذية الراجعة> 15 ٪
② التداخل غير الخطي:

تداخل ضوضاء الإشارة الكهروضوئية (> 20mVPP) يتسبب في معدل التشغيل الخاطئ بنسبة 12 ٪

يصل خطأ تعويض الاحتكاك الديناميكي إلى ± 18 ٪

3. حل تقنية الاستجابة للاستجابة LS Millisecond
(1) ثورة المواد الرقيقة الفائقة
① اختراق للآلات الدقيقة:

0.2mm قطع ليزر الشريط الفائق (قطع الخشونة RA <0.8μm)

انخفض فقدان التيار الدوامة إلى 2.2W/كجم (تخفيض 82 ٪)
② تحسين الأداء المغناطيسي:

علاج التبلور النانوي يزيد من نفاذية المغناطيسية إلى 150،000 (مادة تقليدية 80،000)

الخسارة المغناطيسية <5 ٪ تحت الظروف العالية (500 هرتز)

(2) تصميم الدائرة المغناطيسية مصفنة Halbach
① قفزة كثافة التدفق المغناطيسي:

32-Pole Halbach Array تقوم ببناء دائرة مغناطيسية مغلقة

تصل كثافة التدفق المغناطيسي الفعال إلى 2.1T (زيادة 61.5 ٪)
② اختراق استجابة ديناميكية:

يتم ضغط وقت تبديل التدفق المغناطيسي إلى 0.8 مللي ثانية (زيادة السرعة بنسبة 275 ٪)

زاوية تأخير الطور <5 ° (التصميم التقليدي> 30 درجة)

(3) ترقية نظام التحكم الذكي
① FPGA التحكم في الوقت الفعلي:

تبني Xilinx Zynq Ultrascale+ Mpsoc

تم تقصير دورة التحكم إلى 50μs (زيادة 20 مرة)
② خوارزمية التصفية التكيفية:

تحويل المويجات + مرشح Kalman تخفيض الضوضاء ذات الوضع المزدوج (زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى 45dB)

تصل دقة تحليل الإشارة الكهروضوئية إلى 0.1MV (الحل التقليدي 1MV)

4. بيانات الأداء المقاسة
(1) اختبار الاستجابة الديناميكية
① وقت الاستجابة للخطوة: 0.8ms (ISO 9283 Standard يتطلب <2ms)
② قوة خطأ في التغذية المرتدة عن طريق اللم

(2) اختراق كفاءة الطاقة
① استهلاك طاقة النظام: 18W (الحل التقليدي 42W)
② معدل استرداد الطاقة: 35 ٪ (باستخدام تجديد طاقة الفرامل)
③ وقت العمل المستمر: 72 ساعة (النظام التقليدي 24 ساعة)

(3) التحقق من المتانة
① بعد 10 ملايين دورة من الاختبار ، يكون توهين نفاذية المغناطيسي أقل من 2 ٪
② لا يوجد تآكل بعد 500 ساعة من اختبار رذاذ الملح (IEC 60068-2-11)

تزييت زيت موزع المعركة المجهرية: 1 ميكرون خطأ يقلل 3 سنوات من عمر الخدمة

1. الفتك القاتلة للأخطاء المجهرية

① دراسة حالة
كان لدى روبوت الخدمة موزع زيت تزييت تجاوزت تقليص قناة التدفق (قيمة RA) المعيار بمقدار 0.4 ميكرون ، مما أدى إلى: