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Neue Technologien entstehen oft aus den Träumen von Künstlern und Schriftstellern. Die Träume werden dann von Pionieren aufgegriffen, die sie nach sorgfältiger technischer Arbeit in konkrete Technologie umsetzen können. So haben ältere Generationen von Ingenieuren in der Vergangenheit oft auf Ideen aus den Büchern von Jules Verne zurückgegriffen, während jüngere Generationen von Ingenieuren sich von Filmen wie Star Wars oder Blade Runner inspirieren ließen. SPINEA® ist eines der Pionierunternehmen, die inspirierende Träume in moderne technologische Realität umsetzen können.
SPINEA® gehört seit vielen Jahren zu den bekannten und sich dynamisch entwickelnden Technologieunternehmen in Europa im Bereich hochpräziser Kompaktgetriebe und Antriebe. Das einzigartige, patentrechtlich geschützte Verzahnungsprinzip verleiht den TwinSpin® Zykloidgetrieben eine außergewöhnliche Präzision und ermöglicht die Übertragung hoher Drehmomente auf kleinstem Raum. Dies ist eine Lösung für Hersteller von Anlagen, bei denen eine hohe Drehmomentdichte erforderlich ist.
SPINEA® hat das kleinste Zykloidgetriebe auf dem Markt im Portfolio. Das TS 50 der M-Serie hat ein Nenndrehmoment von 18 Nm und ein Spitzendrehmoment von bis zu 36 Nm bei einem Gewicht von 460 g.
Bild - TwinSpin® TS 50 der Serie M und EC Maxon Motor
Maxon entwickelt seit 1961 Präzisions-Positionierantriebe und ist bekannt für die hohe Präzision, die die Produkte aus der Schweiz auszeichnet. Ihre Produkte sind auch im Weltraum zu finden, wo sie Teile von Satelliten oder verschiedene Fahrzeuge in sehr unwirtlichen Atmosphären antreiben, wie z.B. einen kleinen Hubschrauber oder ein Radfahrzeug zum Sammeln von Gesteinsproben auf der Marsoberfläche. Heute hat Maxon eine Familie von Flachmotoren mit maximaler Kompaktheit und Benutzerfreundlichkeit für Gleichstrom aus 24 V oder 48 V Batterien entwickelt. Neben zahlreichen anderen Anwendungen nutzt Maxon diese Motoren zur Herstellung von angetriebenen kompakten Gelenken für Exoskelette, die in verschiedenen Bereichen wie Medizin, Industrie, Beruf und Militär eingesetzt werden. Im Gesundheitswesen können Exoskelette zum Beispiel zur dauerhaften Unterstützung oder zur Rehabilitation einer nicht funktionierenden Gliedmaße nach einem Unfall eingesetzt werden. In der Industrie werden sie zur Unterstützung des menschlichen Bewegungsapparats eingesetzt, um Überlastungen und Verletzungen bei schweren Arbeiten zu vermeiden. Die Verbesserung der menschlichen Belastbarkeit ist derzeit auch ein Schwerpunkt für den Einsatz im Bauwesen und für militärische Anwendungen.
SPINEA® wurde von der Robotik-Forschungsgruppe BRUBOTICS der Vrije Universiteit Brussel (VUB) in Brüssel mit einem innovativen Projekt kontaktiert. Diese Gruppe verfügt über umfangreiche Erfahrungen in der Erforschung fortschrittlicher robotischer Geräte und war bereits an zahlreichen prestigeträchtigen europäischen Projekten beteiligt. Für das neue Exoskelett-Projekt wurde ein extrem leichter und effizienter Aktuator benötigt, der die Möglichkeiten der allgemein verfügbaren Antriebstechnologien übersteigt. Um dieses anspruchsvolle Ziel zu erreichen, schlug das VUB-Team vor, den EC-Flachmotor von Maxon mit einem neuen Getriebe von SPINEA® zu kombinieren, das auf der Zykloiden-Untersetzungstechnologie basiert. Diese Getriebetechnologie wird üblicherweise in den Gelenken großer Industrieroboter eingesetzt, ist aber bisher nur selten in leichten kollaborativen Roboteranwendungen zu finden.
Die spezifischen Anforderungen dieses Antriebs stellten SPINEA® vor einige interessante Herausforderungen:
- Minimales Gewicht für eine maximale Drehmomentdichte
- Gute Schlagzähigkeit, häufig bei Exokelet-Anwendungen
- Minimierung der Leerlaufverluste für einen hohen Wirkungsgrad auch bei Teillast
- Maximale Benutzerfreundlichkeit in Bezug auf Wartung, Ersatzteile und einfachen Austausch der wichtigsten Antriebskomponenten
- Minimales Gewicht für eine maximale Drehmomentdichte
Das leichte Design trägt dazu bei, hohe Produktivität mit Sicherheit in Einklang zu bringen, und ist die Grundlage für jede kollaborative Roboteranlage. Bei Exoskeletten und anderen tragbaren Robotergeräten erhöht es den Komfort und die Benutzerfreundlichkeit. Strategien zur Gewichtsminimierung beinhalten in der Regel die Verwendung von hochwertigen Materialien und/oder die Integration neuer Technologien. In der modernen Robotik konzentrieren sich die Bemühungen zur Gewichtsminimierung in der Regel auf die Aktuatoren, da diese einen großen Teil des Gesamtgewichts des Geräts ausmachen. Unsere Lösung kombiniert die besten Komponenten aus dem Standardportfolio beider Unternehmen. Maxon stellte seinen neuen EC-Flachmotor zur Verfügung und SPINEA® steuerte ein Zykloidgetriebe bei, das das kleinste und kompakteste der Welt ist. Die Miniaturisierung und die fortschrittliche Technologie von SPINEA® machten möglich, was selbst die japanische Fertigungstechnologie nicht erreichen konnte, und führten zu einer für diesen Anwendungsfall beispielhaften Drehmomentdichte.
- Widerstandsfähigkeit gegen erhebliche Auswirkungen
Häufige Stöße und unerwartete Belastungen sind bei den meisten Robotergeräten üblich und müssen bei der Konstruktion ihrer Komponenten berücksichtigt werden. Bei Zykloidgetrieben erstreckt sich der Zahneingriff über einen großen Teil des Zahnradumfangs, was zu einem größeren relativen Zahneingriff führt als bei Planeten- oder Harmonikagetrieben. Bei einem Aufprall greifen mehrere Zylinder des Zykloidgetriebes gleichzeitig ein und können sich die entstehende Überlast teilen, was die Widerstandsfähigkeit dieser Getriebe gegen Stoßbelastungen erheblich erhöht.
- Minimierung der Verluste im Leerlauf
Die hohe Effizienz, insbesondere bei Teillastanwendungen, bei denen häufig mobile Robotergeräte wie Exoskelette eingesetzt werden, ist ein wesentlicher Vorteil dieser Geräte, die in der Regel batteriebetrieben sind. Das Funktionsprinzip der SPINEA® Technologie basiert auf der Dominanz von Rollen, die die Bewegung transformieren. Durch die Kombination äußerst präziser geometrischer Toleranzen mit der Auswahl des geeigneten Schmiermittels und dessen exakter Dosierung wird ein genau definiertes Spiel im Mikrometerbereich erreicht, was zu einer sehr kompakten Einheit mit maximalem Wirkungsgrad führt. Auf diese Weise kann mit der Baureihe TS 50 ein Spitzenwirkungsgrad von über 85% erreicht werden. Nach dem Einlaufen und dem schrittweisen Einsatz steigt der Wirkungsgrad sogar noch weiter an.
- Wartung und einfacher Austausch von Teilen
In naher Zukunft werden Exoskelette in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, von kollaborativen Aufgaben in Innenräumen, wie z. B. in Rehabilitationskliniken, bis hin zu Einsätzen im Außenraum, oft in unzugänglichen Gebieten, die typischerweise mit extremen Wetterbedingungen verbunden sind, wie z. B. bei militärischen Anwendungen. Dies wird die Wartung vor Ort, den Austausch von Komponenten und die Anforderungen an den Ersatz von Bauteilen erheblich vereinfachen, da komplexe Montage- und Demontageverfahren vermieden werden. Der Frequenzumrichter wurde so konzipiert, dass er diese Anforderungen erfüllt, wobei Komponenten verwendet werden, die Teil des Standardproduktportfolios sind. Die Montage und Demontage der Komponenten erfolgt einfach durch Anziehen und Lösen der Schrauben unter Einhaltung des vorgeschriebenen Anzugsdrehmoments.
Die renommierte belgische Universität VUB in Brüssel wandte sich an SPINEA®, um das Projekt völlig unabhängig durchzuführen. Das Robotik-Team der VUB analysierte unabhängig alle Voraussetzungen und wählte Maxon und SPINEA® als die geeignetsten Kandidaten für die Umsetzung ihres Antriebskonzepts aus. SPINEA® modifizierte das bestehende Getriebe, um es an die Bedürfnisse dieses neuen Segments anzupassen und eine zuverlässige und komfortable Antriebsintegration zu ermöglichen, die den Erwartungen der VUB entsprach. Das Ergebnis der Zusammenarbeit ist ein extrem kompakter und leichter Antrieb (650 g) mit einem hervorragenden Wirkungsgrad auch unter Teillast. Der Aktuator ist für Spitzendrehmomente von über 30 Nm ausgelegt. Diese Eigenschaften machen ihn auch für andere Anwendungen interessant, bei denen Kompaktheit, präzise Positionierung und eine 24 und 48 V Stromversorgung erforderlich sind.
Der Erfolg des Projekts für die VUB Brüssel eröffnet uns neue Möglichkeiten der Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen, die an der Umsetzung neuer Technologien arbeiten, die über die derzeitigen Möglichkeiten hinausgehen und innovativen Ideen helfen, aus dem Reich der Fantasie in eine neue technologische Realität überzugehen.
