Im dynamischen Bereich der Robotik und der Wearable Technology steigt das Bewusstsein für das Potenzial von Exoskeletten in verschiedenen Anwendungsbereichen, die die menschliche Mobilität verändern und die Leistung zunehmend verbessern. Die Technologie wird derzeit vor allem in speziellen Einrichtungen der physischen Rehabilitation eingesetzt, könnte aber künftig auch in der häuslichen Pflege und im betreuten Wohnen allgegenwärtig werden – und es den Menschen ermöglichen, ihre Unabhängigkeit und Mobilität länger zu erhalten, ohne auf menschliches Pflegepersonal angewiesen zu sein.
Das Potenzial ist vielversprechend, doch die Verwirklichung stellt die Entwickler von Exoskeletten vor erhebliche Hürden. Um in großem Maßstab erfolgreich zu sein, bedarf es fein abgestimmter Komponenten und erfahrener Entwicklungspartner, die die damit verbundenen Herausforderungen genau verstehen.
Bewältigung der Komplexität der Exoskelett-Entwicklung
Exoskelette stellen eine große technische Herausforderung dar. Sie müssen so konstruiert werden, dass sie sowohl leicht und robust als auch kompakt und für den Benutzer komfortabel sind. Erst wenn diese Kriterien umgesetzt sind, geht es im nächsten Schritt darum, wie skalierbare Designs geschaffen werden können, unter Berücksichtigung diverser Anwendungsanforderungen sowie der Unterschiede in Gewicht und Größe von Menschen.
Unabhängig vom Verwendungszweck ist die Wahl des richtigen Antriebsdesigns und der entsprechenden Motoren von entscheidender Bedeutung und kann über den Erfolg oder Misserfolg der technischen Bemühungen entscheiden. Diese Entscheidungen können die endgültige Leistung, die die komplizierte Mechanik des menschlichen Körpers nachbilden muss, entweder verbessern oder behindern. Werfen wir einen Blick auf die wichtigsten Überlegungen und Erkenntnisse.
Antriebsdesign und Motorauswahl für Exoskelette
Der Schlüssel zur Bewältigung der Herausforderungen bei der Entwicklung von Exoskeletten ist die Motorintegration. Gehäuselose Motoren, die für ihre hohe Drehmomentdichte und kompakte Größe bekannt sind, werden für diese komplizierten Geräte bevorzugt eingesetzt. Ihre nahtlose Integration in das Exoskelett bei gleichzeitiger Gewährleistung eines einwandfreien und effizienten Betriebs ist jedoch nach wie vor ein komplexes Unterfangen, das schrittweise vollzogen werden muss.
Der erste Schritt in diesem Prozess besteht darin, die Last sowie die Dynamik der erforderlichen Bewegung zu verstehen – sowie die Rate, mit der diese Übergänge stattfinden müssen. Diese Informationen zu Drehzahl und Drehmoment bilden dann die Grundlage für die Getriebeauswahl. Die Wahl des Getriebes hat in weiterer Folge Einfluss auf die Wahl und Integration des Motors. An dieser Stelle treten jedoch oft designtechnische Herausforderungen auf.
Nach der Wahl und Integration der Komponenten können sich im Rahmen der Test- und Validierungsprozesse Leistungsprobleme offenbaren, die die Designer unter Umständen zwingen, wieder bei null anzufangen. So kann es beispielsweise vorkommen, dass das Getriebe und die Motorkombination eines Kniegelenks schwerer sind als erwartet und die Konstrukteure die Spezifikationen für das Hüftgelenk überarbeiten müssen. Dies kann sich wiederum auf das Gesamtgewicht des Exoskeletts, die Betriebstemperatur und andere Faktoren auswirken, die die Konstruktionsweise des Exoskeletts unbrauchbar machen können.
Iterationen sind in jedem Maschinenbauverfahren unvermeidlich. Designer können jedoch einige Maßnahmen ergreifen, um eine einfachere Integration und weniger Nacharbeit sicherzustellen.
1) Wahl einer kompakten Motorausführung, die für Harmonic-Drive-Getriebe optimiert ist
Harmonic-Drive-Getriebe sind eine beliebte Wahl bei der Konstruktion von Exoskeletten, da sie leichte, kompakte und spielfreie Gelenke erlauben. Um die Möglichkeiten voll auszuschöpfen, müssen die Konstrukteure einen Motor wählen, der für diese Art von Getriebe optimiert ist.
Die gehäuselosen 2G-Motoren der TBM Serie von Kollmorgen sind so dimensioniert, dass sie direkt mit Harmonic-Drive-Getrieben zusammenarbeiten und die kompakten, kurzen und leichten Gelenke ermöglichen, die für die Konstruktion von Exoskeletten erforderlich sind. Die speziell für humanoide Roboter und Exoskelette entwickelte TBM2G-Familie verfügt über sieben Durchmesser von 50 mm bis 115 mm, drei Baulängen und mehrere Wicklungen – für beeindruckende 63 mögliche Motorenkombinationen nach Katalogstandard.
2) Wahl von leistungs- und drehmomentstarken Motoren
Achten Sie darauf, dass der von Ihnen gewählte Motor nicht nur für das Getriebe optimiert und in einer Reihe von kompakten Größen erhältlich ist, sondern auch drehmomentstärker ist als Konkurrenzprodukte. Auf den ersten Blick ermöglicht ein drehmomentstärkerer Motor die für die Funktion von Exoskeletten erforderlichen Beschleunigungsimpulse (z. B. die Unterstützung eines bewegungsunfähigen Anwenders, ein Bein zu heben und nach vorne zu bewegen). Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass ein Motor mit überlegener Leistung den Konstruktionsprozess rationalisieren und möglicherweise zu einem Design führen kann, das sich besser für die Vermarktung eignet.
Ziehen wir das oben beschriebene Szenario heran, bei dem ein Kniegelenk übermäßig schwer wird und den Rest der Konstruktion belastet. Ein drehmomentstärkerer Motor, der in einem breiteren Größenbereich erhältlich ist, könnte die gestiegenen Anforderungen besser erfüllen, ohne ein komplettes Neuentwerfen des Getriebes oder des Motors erforderlich zu machen. Motoren mit höherer Leistung bieten einen größeren Spielraum für Fehler und Anpassungsfähigkeit bei Schwankungen in den Spezifikationen und der Leistung anderer Komponenten.
Die äußerst drehmomentstarken 2G-Motoren der Serie TBM zeichnen sich hier aus. Wenn die Konstrukteure bei einem Exoskelettsystem die Drehmomentgrenze überschreiten und auf ein höheres Übersetzungsverhältnis umsteigen müssen, sind sie in der Regel gezwungen, bei der Geschwindigkeit Kompromisse einzugehen. Beim TBM2G-Motor ist das allerdings nicht der Fall. Er liefert eine wesentlich höhere Leistung bei höheren Geschwindigkeiten für mehr Spielraum bei der Konstruktion.
Diese Fähigkeit, ein hohes Drehmoment bei hoher Geschwindigkeit zu erreichen, ermöglicht auch kleinere Getriebe. Da Getriebe oft zu den schwereren und teureren Komponenten von Exoskeletten und Robotern gehören, ist dies ein entscheidender Vorteil. Nicht zuletzt wird diese außergewöhnliche Leistung bei niedrigen Betriebstemperaturen erreicht – ein wichtiger Faktor für den Einsatz von Exoskeletten, da sie in so engem Kontakt mit menschlichen Anwendern stehen.
3) Wahl eines fachkundigen Partners
In sich rasch entwickelnden Bereichen wie dem Markt für Exoskelette erweist sich die Zusammenarbeit mit den erfahrensten und kompetentesten Partnern als überaus vorteilhaft. Kollmorgen ist seit langem führend auf dem Gebiet der Antriebstechnik und ein Pionier in der Entwicklung von Antriebsdesign bei Exoskeletten. Unser Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Motoren, die nicht nur die Messlatte für die Entwicklung von Exoskeletten höher legen, sondern auch die Skalierbarkeit und die kommerzielle Verwertbarkeit erleichtern.
Unsere Anwendungsspezialisten bieten von Anfang an umfassende Unterstützung bei der Konstruktionsplanung. Dazu gehören der Hands-on-Support bei der Auswahl aller Komponenten, die Unterstützung bei der Integration, die Fehlersuche und die kontinuierliche Optimierung des Designs.
Bei der komplexen Entwicklung von Exoskeletten ist die Gewährleistung der motorischen Konformität ein entscheidender Knackpunkt. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Kollmorgen Innovation in diesem transformativen Gebiet vorantreibt, kontaktieren Sie uns und teilen Sie uns mit, wie wir Sie im Rahmen Ihres nächsten Projekts unterstützen können.
