No campo em constante mudança da robótica e da tecnologia vestível, os exoesqueletos são uma promessa crescente em diversas aplicações: uma revolução na mobilidade e desempenho humanos. A tecnologia é mais comum hoje em aplicações de reabilitação física seletiva; mas, futuramente, poderá tornar-se onipresente em ambientes de cuidados a domicílio e de vida assistida, permitindo aos usuários manter a mobilidade e a liberdade por mais tempo sem depender tanto de cuidadores humanos.
As possibilidades são inspiradoras, mas torná-las realidade é um desafio para os projetistas de exoesqueletos. Para se ter sucesso em grande escala, são necessários componentes altamente otimizados e parceiros de projeto experientes que estejam intimamente familiarizados com os desafios a serem enfrentados.
Navegando pelos desafios de projetos de exoesqueleto
Os exoesqueletos representam um formidável desafio de engenharia, pois é necessário que os projetos sejam leves e poderosos; compactos, mas confortáveis para o usuário. Tudo isso antes mesmo de os projetistas pensarem em criar projetos que sejam dimensionados e ajustados aos diversos requisitos de aplicação e às diferenças de peso e tamanho humano.
Seja qual for a aplicação, o projeto de motion e a seleção do motor são etapas decisivas no processo de engenharia. Como essas escolhas podem ajudar (ou dificultar) o desempenho perfeito, que deve imitar a complexa mecânica do corpo humano? Vamos dar uma olhada nas principais considerações e insights.
Projeto de motion e seleção de motores para exoesqueletos
O ponto central para superar os desafios no desenvolvimento do exoesqueleto é a integração do motor. Os motores sem carcaça, notórios pela alta densidade de torque e tamanho compacto, surgem como escolhas preferenciais para esse equipamento tão complexo. No entanto, incorporá-los perfeitamente na estrutura do exoesqueleto e, ao mesmo tempo, garantir uma operação eficiente e sem falhas, ainda é uma tarefa complexa e iterativa.
A primeira etapa do processo é compreender a carga e a dinâmica necessárias do movimento e a taxa na qual as transições devem ocorrer. Com os requisitos de velocidade e torque em mãos, você pode escolher a engrenagem. A escolha da caixa de engrenagens influenciará a seleção e a integração do motor. Infelizmente, é nesse ponto que costumam surgir os desafios de design.
Depois que os componentes são escolhidos e integrados, os testes e a validação podem revelar problemas de desempenho, o que força os projetistas a voltarem ao início. A combinação da caixa de engrenagens e do motor em uma articulação de joelho, por exemplo, pode pesar mais que o esperado anteriormente, exigindo que os projetistas reforcem as especificações da articulação do quadril. Isso, por sua vez, pode afetar o peso geral, as temperaturas operacionais e muito mais, com a possibilidade de tornar o design do exoesqueleto inviável.
A iteração é inevitável em qualquer processo de engenharia mecânica, mas os projetistas podem tomar algumas medidas para garantir uma integração mais fácil e ter menos retrabalho.
1) Escolha um motor compacto com design otimizado para engrenagens do tipo acionamento harmônico
A engrenagem harmônica é uma escolha popular em projetos de exoesqueletos porque permite juntas leves e compactas com folga zero. Para aproveitar plenamente essas vantagens, os projetistas devem escolher um motor otimizado para esse tipo de engrenagem.
Os motores sem carcaça TBM2G da Kollmorgen são dimensionados para funcionar diretamente com engrenagens no estilo acionamento harmônico, que proporcionam juntas compactas, curtas e leves necessárias para viabilizar os projetos de exoesqueletos. Projetada especificamente para robôs humanoides e exoesqueletos, a família TBM2G é oferecida em sete diâmetros, que variam de 50 mm a 115 mm, três comprimentos de pilha e vários enrolamentos, que permitem impressionantes 63 combinações possíveis de motores padrão de catálogo.
2) Escolha motores de alto desempenho e com alto torque
Além de ser otimizado para engrenagens e estar disponível em uma variedade de tamanhos compactos, certifique-se de que o motor escolhido tenha torque mais denso que o dos concorrentes. À primeira vista, um motor com torque mais denso permite as explosões de aceleração necessárias no design do exoesqueleto (para ajudar um usuário que não poderia se mover a ser capaz de movimentar a perna e andar para a frente, por exemplo). Mas aprofundando um pouco, um motor de alto desempenho ajuda a simplificar o processo do projeto e até mesmo resulta em um projeto comercialmente mais viável.
Considere o exemplo anterior do retrabalho necessário se uma articulação de joelho se tornar pesada demais para ser sustentada pelo resto do projeto. Um motor com maior torque, disponível em uma maior variedade de tamanhos, poderia acomodar melhor a demanda crescente, sem que os projetistas precisem começarem do zero o projeto da caixa de engrenagens ou do motor. Motores de alto desempenho oferecem maior tolerância e flexibilidade diante de variações nas especificações e desempenho de outros componentes.
É aqui que os motores TBM2G com torque incrivelmente denso se destacam. Normalmente, se os projetistas maximizam o torque de um sistema de exoesqueleto e precisam passar para uma relação de transmissão mais alta, eles são forçados a sacrificar a velocidade. Não é assim com o motor TBM2G. Ele oferece desempenho substancialmente superior em velocidades mais altas para que os projetistas não precisem fazer concessões.
A capacidade de alto torque em alta velocidade também permite opções de caixas de engrenagem menores. Como as caixas de engrenagens costumam ser um dos componentes mais pesados e caros em exoesqueletos e projetos robóticos, esse é um benefício crucial. E por último, mas certamente não menos importante, esse desempenho excepcional ocorre em baixas temperaturas de operação, um elemento crítico para o uso viável de exoesqueletos, uma vez que eles ficam em contato muito próximo dos usuários humanos.
3) Escolha um parceiro que seja especialista
Quando se trata de segmentos emergentes e em rápida evolução, como o mercado de exoesqueletos, vale a pena ter o parceiro mais experiente e capaz. Kollmorgen é líder de longa data em controle de movimento e uma força pioneira no design de movimento para exoesqueletos. Nos concentramos em projetar motores que elevam o padrão de design de exoesqueletos e realmente permitem escalabilidade e comercialização.
Além dos produtos em si, nossos especialistas em aplicações podem ajudar a orientar seu planejamento de projeto desde o início, com orientação prática para seleção de todos os componentes, suporte à integração, solução de problemas e otimização contínua do projeto.
À medida que os projetistas se deparam com as complexidades do desenvolvimento do exoesqueleto, garantir a conformidade do motor é um ponto crucial. Entre em contato conosco para saber mais sobre como a Kollmorgen está impulsionando a inovação nesse campo transformador, e como podemos ajudar em seu próximo projeto.
