Der Markt für Exoskelette steht an einem Wendepunkt. Vor dem Hintergrund einer alternden Bevölkerung, der Zunahme chronischer Krankheiten und eines nicht abzuschätzenden Mangels an qualifizierten Arbeitskräften bieten Exoskelette ein enormes Potenzial. Marktanalysen gehen sogar davon aus, dass der Markt für Exoskelette bis zum Jahr 2028 mit einer jährlichen Wachstumsrate von nahezu 40 % auf 3,7 Milliarden USD anwachsen wird.
Ingenieure arbeiten derzeit intensiv an der Entwicklung von Exoskeletten, die Menschen mit motorischen Beeinträchtigungen dabei helfen, ihre Bewegungsfähigkeit wiederzuerlangen oder sogar die menschliche Leistungsfähigkeit zu steigern. Allerdings ist dieses Segment nicht frei von Herausforderungen. Als Wearables müssen Exoskelette bequem, zuverlässig und sicher sein – hohe Anforderungen angesichts ihrer äußerst komplexen Mechanik.
Bei der Entwicklung von Exoskeletten für eine kommerzielle Nutzung müssen Ingenieure drei wesentliche Kriterien berücksichtigen: Temperatur, Sicherheit und Mobilität.
Geringe Betriebstemperaturen
Ingenieure kennen das Problem der von Motoren erzeugten Wärme gerade bei temperatursensiblen Anwendungen nur zu gut. Allerdings stehen den Entwicklern von Exoskeletten im Gegensatz zu den herkömmlichen Maschinen aufgrund von Einschränkungen bei Größe und Gewicht nicht die üblichen Möglichkeiten zur Motorkühlung wie Lüfter, Wasserkühlung, Isolierung usw. zur Verfügung.
Herkömmliche Motoren arbeiten bei einer maximalen Wicklungstemperatur von 155° C (über 300° F). Motoren, die für den Bau von Exoskeletten in Frage kommen, müssen jedoch bei wesentlich niedrigeren Temperaturen eine angemessene Leistung erbringen, ohne dass die oben aufgeführten Kühlsysteme genutzt werden können. Häufig müssen Konstrukteure von Exoskeletten mit gehäuselosen Motorkonstruktionen arbeiten, die eigentlich für Industrieroboter bestimmt sind. Allerdings sind für Exoskelette aufgrund des engen Kontakts mit dem Körper des Anwenders nur bestimmte Betriebstemperaturen zulässig – die von diesen Motoren oftmals überschritten werden.
Die Ingenieure müssen daher thermisch effiziente Motoren einsetzen, die bei Temperaturen von nur 50– 60° C arbeiten, um die Folgen durch den engen Kontakt mit dem Körper zu minimieren. Diese niedrigen Betriebstemperaturen der Wicklungen führen jedoch zu einer drastischen Beeinträchtigung der Leistung typischer gehäuseloser Motoren. Ingenieure benötigen einen Partner, der nicht nur thermisch effiziente Motoren anbietet, sondern auch Design-Tools für die Bewegungsanalyse, die die Motorleistung bei bestimmten Drehmoment-, Drehzahl- und Temperaturwerten simulieren können. Dies ermöglicht eine bessere Planung für unterschiedliche Anwendungsfälle und eine bessere Dimensionierung der Motoren.
Größenbestimmung für Sicherheit und Mobilität
Eine der größten Hürden bei der Entwicklung praktikabler Exoskelette ist die richtige Dimensionierung. Dabei müssen die Ingenieure nicht nur die unterschiedlichen Körpergrößen von Menschen berücksichtigen, sondern ihre Entwürfe auch so filigran, effizient und leicht wie möglich halten, um ein Maximum an Komfort, Sicherheit und Mobilität zu gewährleisten.
Vor allem bei Anwendungen im Bereich der medizinischen Rehabilitation muss berücksichtigt werden, dass Anwender möglicherweise bestimmte Gliedmaßen nur noch eingeschränkt oder gar nicht mehr nutzen können. In diesem Fall sind leichtgewichtige Konstruktionen besonders wichtig, um die Sicherheit bei Stürzen oder Unfällen zu gewährleisten.
Leichtere Konstruktionen sind zudem im Hinblick auf den Komfort wichtig, vor allem wenn Hersteller auf eine Erweiterung der Anwendungsbereiche von Exoskeletts hoffen, bei denen eine längere oder regelmäßige Nutzung eines solchen Hilfsmittels erforderlich ist. Arbeitskräfte und Patienten, die Exoskelette zu Rehabilitations- oder Mobilitätszwecken verwenden, werden beispielsweise weder ein zu hohes Gewicht noch einen unangenehmen Druck auf ihren Körper in Kauf nehmen wollen. Außerdem müssen die Konstrukteure nicht nur den Tragekomfort, sondern auch allgemeine Risiken für den Benutzer berücksichtigen und verringern, wie zum Beispiel:
- Verletzungen oder Beeinträchtigungen durch Reibung/direkten Kontakt zwischen dem Exoskelett und dem Benutzer;
- Überstreckung von Gelenken und Überanstrengung;
- ungewollte Berührungen, Kollisionen und Belastungen durch Vibrationen.
Und schließlich ist ein optimales, schlankes Design ein Muss, damit sich Benutzer auch in engen Umgebungen bewegen können und die Gefahr eines Hängenbleibens des Exoskeletts an in der Nähe befindlichen Objekten verringert wird.
Aufgrund dieser strengen Anforderungen an Größe und Gewicht werden gehäuselose Motoren benötigt, die kompakt und zugleich leistungsstark genug sind, um die Anforderungen der betreffenden Anwendung des Exoskeletts zu erfüllen.
Motoren für Exoskelette
Die meisten leistungsstarken, gehäuselosen Motoren sind für Anwendungen im Bereich der allgemeinen Automatisierung oder bestenfalls für den Einsatz in Robotergelenken konzipiert und genügen daher nicht unbedingt den anspruchsvollen Anforderungen von Exoskelett-Konstrukteuren. Die TBM2G-Motoren von Kollmorgen sind für diese Aufgabe jedoch wie geschaffen.
Sie liefern ein gleichmäßiges Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich hinweg – und das bei kompakteren Abmessungen. Die Ingenieure profitieren von einer hohen Leistung innerhalb des vorgeschriebenen Temperaturbereichs ohne dafür den Motor zu groß dimensionieren zu müssen. Die TBM2G-Motoren sind so konzipiert, dass sie sich leicht in die meist in Exoskelett-Gelenken verwendeten Mechanismen mit Wellgetriebe integrieren lassen und optional mit integrierten Hall-Sensoren ausgerüstet werden können, ohne die Motorlänge zu erhöhen.
Außerdem sind die TBM2G-Motoren in sieben verschiedenen Durchmessern von 50 mm bis 115 mm und drei Stapellängen von 8 mm bis 26 mm erhältlich. So können Hersteller von Exoskeletten diese leichter an unterschiedliche Körpergrößen und Anwendungsanforderungen anpassen.
Auswahl eines geeigneten Partners
Bei der Entwicklung von Exoskeletten ist die Wahl des geeigneten Partners ebenso wichtig wie die Konstruktion der einzelnen Komponenten selbst. Angesichts der dynamischen Entwicklung des Marktes für Exoskelette unterstützt Kollmorgen Ingenieure dabei, immer einen Schritt voraus zu sein.
Kollmorgen ist weltweit führend in der Entwicklung und Herstellung gehäuse- und bürstenloser Motoren – und bietet neben einem umfassenden Motorenangebot zudem fundierten technische Beratung und einen idealen Service für alle Exoskelett-Anwendungen.
Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anforderungen und Ziele mit einem Kollmorgen-Experten für Exoskelette zu besprechen.
