Il mercato degli esoscheletri è a un punto di svolta. Con l'invecchiamento della popolazione, l'aumento delle malattie croniche e la grave carenza di manodopera, gli esoscheletri offrono un enorme potenziale. I rapporti di mercato stimano infatti che il mercato degli esoscheletri crescerà a un tasso annuo composto di quasi il 40% da oggi al 2028, quando raggiungerà i 3,7 miliardi di dollari.
Gli ingegneri sono impegnati nello sviluppo di esoscheletri che aiutino a ripristinare i movimenti per le persone con disabilità motorie e persino ad aumentare le prestazioni umane naturali. Ma tutto questo non è privo di sfide. In quanto dispositivi indossabili, gli esoscheletri devono essere comodi, affidabili e sicuri, un compito arduo vista la loro meccanica estremamente complessa.
Quando si progettano esoscheletri bisogna tenere conto di tre criteri principali per la redditività commerciale: temperatura, sicurezza e mobilità.
Mantenere basse le temperature di esercizio
I progettisti sanno bene che il calore generato dai motori può essere un problema nelle applicazioni sensibili alla temperatura. A differenza della progettazione di macchine tradizionali, tuttavia, negli esoscheletri non si hanno a disposizione le consuete opzioni di raffreddamento dei motori (ventole, acqua, isolamento, ecc.) a causa dei vincoli di dimensioni e peso.
Mentre i motori standard funzionano a una temperatura massima dell'avvolgimento di 155 gradi Celsius (più di 300 gradi Fahrenheit), i motori scelti per la progettazione di esoscheletri devono funzionare adeguatamente a temperature molto più basse, senza il vantaggio dei sistemi di raffreddamento sopra menzionati. Purtroppo, nella progettazione di esoscheletri ci si trova spesso di fronte a motori frameless realizzati per applicazioni di robotica industriale, che funzionano a temperature che possono superare i livelli pratici per le attrezzature degli esoscheletri, dato che entreranno in stretto contatto con il corpo dell'utente.
È necessario utilizzare i motori termicamente efficienti che funzionino a temperature di 50-60 °C per ridurre al minimo l'impatto del contatto con il corpo. Queste basse temperature di esercizio degli avvolgimenti, tuttavia, possono compromettere drasticamente le prestazioni dei motori frameless standard. La collaborazione con un partner che non solo offre motori efficienti dal punto di vista termico, ma anche tool di progettazione del motion in grado di simulare le prestazioni del motore a livelli specifici di coppia, velocità e temperatura, è la scelta ideale. Questo consentirà una migliore pianificazione per una serie di esigenze applicative e di requisiti di dimensionamento del motore.
Dimensionamento per sicurezza e mobilità
Uno dei maggiori ostacoli nella progettazione di esoscheletri è il dimensionamento. È necessario tener conto delle differenze di dimensioni tra gli esseri umani, ma anche mantenere i progetti il più possibile sottili, snelli e leggeri per consentire livelli massimi di comfort, sicurezza e mobilità.
Soprattutto nelle applicazioni di riabilitazione medica, bisogna considerare che un utente può avere una funzionalità ridotta o nulla in alcuni arti. In questo caso, un design più leggero è fondamentale per assicurare la sicurezza in caso di cadute o incidenti.
Un design più leggero è importante anche per il comfort, soprattutto se gli OEM sperano di ampliare l'adozione dell'esoscheletro, e per le applicazioni che richiedono un uso più prolungato o regolare dell'esoscheletro. Ad esempio, i lavoratori e i pazienti che utilizzano gli esoscheletri per la riabilitazione o la mobilità non saranno disposti a sopportare un peso eccessivo o una pressione scomoda sul corpo. Oltre al disagio, bisogna tenere conto dei rischi comuni per chi li indossa e ridurli; alcuni esempi:
- Lesioni o disagi causati dall'attrito/dal contatto diretto fra l'esoscheletro e l'utente
- Iperestensione articolare e sovraffaticamento
- Contatto involontario, collisione ed esposizione alle vibrazioni
Infine, un design snello ed elegante è indispensabile per consentire all'utente di muoversi in spazi ristretti e per ridurre il rischio che l'esoscheletro si impigli in oggetti vicini.
Queste rigorose considerazioni su dimensioni e peso richiedono motori frameless compatti ma sufficientemente potenti da soddisfare le esigenze di una determinata applicazione dell'esoscheletro.
Motori progettati per esoscheletri
La maggior parte dei motori frameless ad alte prestazioni è progettata per l'automazione generale o, nel migliore dei casi, per applicazioni di articolazione robotica, e quindi non può soddisfare le esigenze più impegnative degli esoscheletri. I motori TBM2G di Kollmorgen, tuttavia, sono stati realizzati appositamente per questo compito.
Forniscono una coppia costante su tutta la gamma di velocità, il tutto in un pacchetto più compatto. I progettisti potranno godere di prestazioni elevate nell'intervallo di temperatura richiesto, senza dover sovradimensionare il motore. I motori TBM2G sono stati realizzati per integrarsi facilmente con i meccanismi armonici più comunemente utilizzati nei giunti dell'esoscheletro, con sensori Hall integrati opzionali che non aumentano la lunghezza del motore.
Infine, i motori TBM2G sono disponibili in sette diametri da 50 mm a 115 mm e in tre lunghezze di stack da 8 mm a 26 mm, in modo che gli OEM di esoscheletri possano adattarsi più facilmente per soddisfare le diverse dimensioni umane e i requisiti applicativi.
Scegliere il partner ideale
Quando si tratta di progettare un esoscheletro, la scelta del partner ideale è importante quanto i componenti stessi del progetto. Con il rapido sviluppo del mercato degli esoscheletri, Kollmorgen può supportarvi in questo settore.
Kollmorgen è il leader globale nella progettazione e produzione di motori frameless e brushless, con selezione di motori, guida tecnica e assistenza per supportare qualsiasi applicazione di esoscheletro.
Contattaci per discutere le tue esigenze e i tuoi obiettivi con un esperto di esoscheletri di Kollmorgen.
