Nel campo in continua evoluzione della robotica e della tecnologia indossabile, gli esoscheletri sono sempre più promettenti in diverse applicazioni, rivoluzionando la mobilità e le prestazioni umane. La tecnologia è oggi molto diffusa nelle applicazioni selettive di riabilitazione fisica, ma in futuro potrebbe diventare onnipresente negli ambienti di assistenza domiciliare e di vita assistita, consentendo agli utenti di mantenere la mobilità e la libertà più a lungo senza dover dipendere da assistenti umani.
Le possibilità sono d'ispirazione, ma renderle realtà può essere una sfida per i progettisti di esoscheletri. Il successo su larga scala richiede componenti altamente ottimizzati e partner di progettazione esperti che conoscano a fondo le sfide da affrontare.
Sfide di progettazione degli esoscheletri
Gli esoscheletri rappresentano una sfida ingegneristica formidabile, in quanto richiedono progetti leggeri e potenti, compatti ma confortevoli per l'utente. Tutto questo prima ancora che i progettisti pensino a creare progetti in grado di ridimensionarsi e adattarsi alle diverse esigenze applicative e alle differenze di peso e dimensioni dell'uomo.
Indipendentemente dall'applicazione, la progettazione del motion e la scelta del motore sono fasi fondamentali del processo di progettazione. In che modo queste scelte possono aiutare (o ostacolare) la prestazione finale, che deve imitare la complessa meccanica del corpo umano? Analizziamo le considerazioni e gli approfondimenti principali.
Progettazione del motion e selezione dei motori per esoscheletri
L'integrazione del motore è un elemento centrale per superare le sfide per lo sviluppo degli esoscheletri. I motori frameless, celebri per l'alta densità di coppia e le dimensioni compatte, sono la scelta preferita per queste attrezzature complesse. Tuttavia, incorporarli perfettamente nella struttura dell'esoscheletro, assicurando al contempo un funzionamento impeccabile ed efficiente, rimane un'impresa complessa e iterativa.
Il primo passo del processo consiste nel comprendere il carico e la dinamica del motion richiesto e la velocità con cui devono avvenire queste transizioni. Con questi requisiti di velocità e coppia, è possibile scegliere gli ingranaggi. La scelta della trasmissione influenzerà la selezione e l'integrazione del motore. Purtroppo, è qui che spesso sorgono le sfide della progettazione.
Una volta scelti e integrati i componenti, i test e la convalida possono rivelare problemi di prestazioni che costringono i progettisti a ricominciare daccapo. La combinazione di trasmissione e motore di un'articolazione del ginocchio, ad esempio, potrebbe pesare più di quanto previsto in precedenza, richiedendo ai progettisti di rafforzare le specifiche dell'articolazione dell'anca. Questo, a sua volta, può influire sul peso complessivo, sulle temperature di esercizio e altro ancora, in modo tale da rendere impraticabile il progetto dell'esoscheletro.
L'iterazione è inevitabile in qualsiasi processo di ingegneria meccanica, ma i progettisti possono adottare alcuni accorgimenti per assicurare un'integrazione più semplice e una minore quantità di rilavorazioni.
1) Scegliere una progettazione del motore compatta, ottimizzata per la trasmissione armonica
Gli ingranaggi armonici sono una scelta diffusa nella progettazione degli esoscheletri perché consentono di realizzare articolazioni leggere e compatte con backlash zero. Per beneficiare appieno di questi vantaggi, i progettisti devono scegliere un motore ottimizzato per questo tipo di ingranaggio.
I motori frameless TBM2G di Kollmorgen sono dimensionati per lavorare direttamente con le trasmissioni armoniche, fornendo le articolazioni compatte, corte e leggere necessarie per rendere praticabili i progetti di esoscheletro. Realizzata appositamente per i robot umanoidi e gli esoscheletri, la famiglia TBM2G presenta sette diametri da 50 mm a 115 mm, tre lunghezze di stack e avvolgimenti multipli, per un totale di 63 possibili combinazioni di motori standard a catalogo.
2) Scegliere motori ad alte prestazioni e ad alta densità di coppia
Oltre a essere ottimizzato per gli ingranaggi e disponibile in una gamma di dimensioni compatte, assicurarsi che il motore scelto abbia una maggiore densità di coppia rispetto ai concorrenti. A prima vista, un motore con una maggiore densità di coppia consente le accelerazioni necessarie nella progettazione di un esoscheletro (per aiutare un utente altrimenti immobile a sollevare e spostare una gamba in avanti, ad esempio). Ma se si va più a fondo, un motore dalle prestazioni più elevate può contribuire a semplificare il processo di progettazione e persino a rendere il progetto più redditizio dal punto di vista commerciale.
Prendiamo l'esempio precedente della rielaborazione necessaria se un'articolazione del ginocchio diventa troppo pesante per essere sostenuta dal resto del progetto; un motore con una maggiore densità di coppia - in un numero maggiore di dimensioni disponibili - potrebbe soddisfare meglio l'aumento della domanda, senza che i progettisti debbano ricominciare da zero la progettazione di trasmissioni o motori. I motori più performanti offrono una maggiore tolleranza e flessibilità a fronte di variazioni nelle specifiche e nelle prestazioni di altri componenti.
I motori TBM2G, con un'incredibile densità di coppia, eccellono in questo caso. Normalmente, se i progettisti raggiungono il massimo della coppia in un sistema di esoscheletro e devono passare a un rapporto di trasmissione superiore, sono costretti a sacrificare la velocità. Non è così per il motore TBM2G. Offre prestazioni sostanzialmente superiori a velocità più elevate, per cui i progettisti non devono scendere a compromessi.
Questa capacità di coppia elevata ad alta velocità consente anche di scegliere trasmissioni più piccole. Poiché le trasmissioni sono spesso uno dei componenti più pesanti e costosi nella progettazione di esoscheletri e robot, questo è un vantaggio fondamentale. Infine, ma non per questo meno importante, queste prestazioni eccezionali si ottengono a basse temperature di esercizio, un elemento critico per l'utilizzo degli esoscheletri, che sono a così stretto contatto con gli utenti umani.
3) Scegliere un partner esperto
Quando si tratta di segmenti emergenti e in rapida evoluzione come il mercato degli esoscheletri, conviene affidarsi a un partner esperto e capace. Kollmorgen è da tempo leader nel controllo del motion e pioniere nella progettazione del motion di esoscheletri. Ci concentriamo sulla progettazione di motori che elevino gli standard di progettazione degli esoscheletri e consentano realmente la scalabilità e la commercializzazione.
Oltre ai prodotti stessi, i nostri esperti applicativi possono aiutarti a guidare la pianificazione della progettazione fin dall'inizio, con indicazioni pratiche sulla selezione di tutti i componenti, supporto per l'integrazione, risoluzione dei problemi e ottimizzazione continua della progettazione.
Quando i progettisti sono alle prese con le complessità dello sviluppo di un esoscheletro, assicurare la conformità del motore è fondamentale. Contattaci per maggiori informazioni su come Kollmorgen sta guidando l'innovazione in questo campo in trasformazione e su come possiamo aiutarti con il tuo prossimo progetto.
