Kompaktná jednotka pre exoskelety. Prevodovka TwinSpin® od spoločnosti SPINEA s motorom od spoločnosti Maxon

      Nové technológie často vznikajú zo snov umelcov a spisovateľov. Sny si potom osvojujú priekopníci, ktorí ich po dôkladnej inžinierskej práci dokážu premeniť na konkrétnu technológiu. Staršie generácie inžinierov tak v minulosti často čerpali nápady z kníh Julesa Verna, zatiaľ čo mladšie generácie inžinierov sa inšpirovali filmami ako Hviezdne vojny alebo Blade Runner. Spoločnosť SPINEA® je jednou z priekopníckych spoločností, ktoré dokážu premeniť inšpiratívne sny na modernú technologickú realitu.

      Spoločnosť SPINEA® je už mnoho rokov jednou zo známych a dynamicky sa rozvíjajúcich technologických spoločností v Európe v oblasti vysoko presných kompaktných redukčných prevodoviek a pohonov. Jedinečný patentovo chránený princíp prevodov dáva cykloidným prevodovkám TwinSpin^® mimoriadnu presnosť a umožňuje prenos vysokých krútiacich momentov pri malých rozmeroch. To poskytuje riešenie pre výrobcov zariadení, kde je podmienkou vysoká hustota krútiaceho momentu.

      Spoločnosť SPINEA® má vo svojom portfóliu najmenšiu cykloidnú prevodovku na trhu. Rad TS0 50 M má menovitý krútiaci moment 18 Nm a špičkový krútiaci moment až 36 Nm pri hmotnosti 460 g.

        Obrázok - TwinSpin^® TS050 série M a motor EC maxon

      Spoločnosť Maxon vyvíja presné polohovacie pohony od roku 1961 a je známa vysokou presnosťou, ktorou sa vyznačujú výrobky zo Švajčiarska. Jej výrobky možno nájsť aj vo vesmíre, kde poháňajú časti satelitov alebo rôzne vozidlá vo veľmi nehostinnej atmosfére, ako napríklad malý vrtuľník alebo kolesové vozidlo na zber vzoriek hornín z povrchu Marsu. V súčasnosti spoločnosť Maxon vyvinula rodinu plochých motorov s maximálnou kompaktnosťou a použiteľnosťou pre napájanie jednosmerným prúdom z batérií s napätím 24 V alebo 48 V. Okrem iných početných aplikácií spoločnosť Maxon používa tieto motory na výrobu napájaných kompaktných kĺbov pre exoskelety, ktoré nachádzajú uplatnenie v rôznych oblastiach vrátane medicínskych, priemyselných, pracovných a vojenských účelov. V zdravotníctve sa exoskelety môžu používať napríklad na trvalú podporu alebo rehabilitáciu nefunkčnej končatiny po úraze. Priemyselné využitie zahŕňa podporu ľudského pohybového aparátu s cieľom zabrániť preťaženiu a zraneniam pri vykonávaní ťažkých úloh. Zvýšenie schopnosti človeka znášať záťaže je v súčasnosti v centre pozornosti aj pre použitie v stavebníctve a armáde.

     Spoločnosť SPINEA® oslovila výskumná skupina robotiky BRUBOTICS z Vrije Universiteit Brussel (VUB) v Bruseli s inovatívnym projektom. Táto skupina má bohaté skúsenosti s výskumom pokročilých robotických zariadení, keďže sa podieľala na mnohých prestížnych európskych projektoch. Pre nový projekt exoskeletu bol potrebný extrémne ultraľahký a účinný aktuátor, ktorý presahoval možnosti bežne dostupných aktuačných technológií. Na vyriešenie tohto náročného cieľa tím VÚB navrhol skombinovať motor Maxon EC-flat s novou prevodovkou od spoločnosti SPINEA® založenou na technológii cykloidných redukčných prevodov. Táto technológia prevodoviek sa bežne používa v kĺboch veľkých priemyselných robotov, ale v ľahkých kolaboratívnych robotických aplikáciách sa zatiaľ vyskytuje zriedkavo.

     Špecifické požiadavky tohto pohonu postavili spoločnosť SPINEA® pred niekoľko zaujímavých výziev:

1. Minimalizácia hmotnosti na dosiahnutie maximálnej hustoty krútiaceho momentu
2. Dobrá odolnosť proti nárazu, bežná v aplikáciách s exokeletmi
3. Minimalizácia strát bez zaťaženia na dosiahnutie vysokej účinnosti aj pri čiastočnom zaťažení
4. Maximalizuje pohodlie používateľa z hľadiska údržby, náhradných dielov a jednoduchej výmeny hlavných komponentov pohonu    
5. Minimalizácia hmotnosti na dosiahnutie maximálnej hustoty krútiaceho momentu

     Ľahká konštrukcia pomáha zladiť vysokú produktivitu s bezpečnosťou a je základom každého robotického zariadenia, ktoré spolupracuje. V prípade exoskeletov a iných nositeľných robotických zariadení zvyšuje pohodlie a použiteľnosť. Stratégie minimalizácie hmotnosti zvyčajne zahŕňajú použitie špičkových materiálov a/alebo integráciu nových technológií. V modernej robotike sa snahy o minimalizáciu hmotnosti zvyčajne zameriavajú na aktuátory, pretože zaberajú veľkú časť celkovej hmotnosti zariadenia. Naše riešenie kombinuje najlepšie komponenty zo štandardného portfólia oboch spoločností. Maxon poskytol svoj nový plochý EC motor a SPINEA® prispela cykloidným reduktorom, ktorý je najmenší a najkompaktnejší na svete. Miniaturizácia a pokročilá technológia spoločnosti SPINEA® umožnili to, čo nedokázala dosiahnuť ani japonská výrobná technológia, čoho výsledkom je referenčná hustota krútiaceho momentu pre tento prípad použitia.

2. Odolnosť voči významným vplyvom

     Časté nárazy a nepredvídané zaťaženia sú bežné pre väčšinu robotických zariadení a musia sa zohľadniť pri navrhovaní ich komponentov. V cykloidnom ozubení je ozubené oko rozšírené na veľkú časť obvodu ozubeného kolesa, čo má za následok väčšie relatívne očko ako v prípade planetových alebo harmonických technológií. Pri náraze sa súčasne zapájajú viaceré valce cykloidného reduktora a môžu sa podeliť o vzniknuté preťaženie, čím sa výrazne zvyšuje odolnosť týchto prevodoviek voči nárazovému zaťaženiu.

3. Minimalizujte straty pri chode naprázdno

      Vysoká účinnosť, najmä v aplikáciách s čiastočným zaťažením, kde sa často používajú mobilné robotické zariadenia, ako sú exoskelety, je kľúčovou výhodou týchto zariadení, ktoré sú zvyčajne napájané z batérie. Princíp fungovania technológie SPINEA® je založený na dominancii valčekov, ktoré transformujú pohyb. Presne definovaná vôľa na úrovni mikrónov sa dosahuje kombináciou mimoriadne presných geometrických tolerancií s výberom vhodného maziva a jeho presným dávkovaním, čo vedie k veľmi kompaktnému zariadeniu s maximálnou účinnosťou. Týmto spôsobom možno pri sérii TS 50 dosiahnuť maximálnu účinnosť viac ako 85 %. Po zabehnutí a postupnom používaní sa účinnosť ešte zvýši.

4. Údržba a jednoduchá výmena dielov    

      V blízkej budúcnosti budú exoskelety nasadené v rôznych prostrediach, od úloh spolupráce v interiéri, ako napríklad na rehabilitačných klinikách, až po operácie v exteriéri, často v neprístupných oblastiach, ktoré zvyčajne zahŕňajú extrémne poveternostné podmienky, ako napríklad vo vojenských aplikáciách. To výrazne podmieni údržbu na mieste, výmenu komponentov a požiadavky na ich výmenu, čím sa následne predíde zložitým montážnym a demontážnym postupom. Pohon bol navrhnutý tak, aby spĺňal takéto potreby, pričom využíva komponenty, ktoré sú súčasťou štandardného portfólia výrobkov. Montáž a demontáž komponentov sa vykonáva jednoducho uťahovaním a povoľovaním skrutiek, pričom stačí dodržať predpísaný uťahovací moment.

     Prestížna belgická univerzita VUB v Bruseli oslovila spoločnosť SPINEA®, aby projekt realizovala úplne nezávisle. Tím robotiky VUB nezávisle analyzoval všetky predpoklady a vybral spoločnosti Maxon a SPINEA® ako najvhodnejších kandidátov na dodávateľa na realizáciu ich koncepcie pohonu. Spoločnosť SPINEA® upravila existujúcu prevodovku, aby ju prispôsobila potrebám tohto nového segmentu a umožnila spoľahlivú a pohodlnú integráciu pohonu, ktorá zodpovedala očakávaniam spoločnosti VUB. Výsledkom spolupráce je mimoriadne kompaktný a ľahký aktuátor (650 g) s vynikajúcou účinnosťou aj pri čiastočnom zaťažení. Aktuátor je schopný dosiahnuť špičkové krútiace momenty presahujúce 30 Nm. Tento súbor špecifikácií z neho robí zaujímavého kandidáta aj pre ďalšie aplikácie, kde sa vyžaduje kompaktnosť, presné polohovanie a napájanie 24 V a 48 V.

     Úspech projektu pre bruselskú VÚB nám otvára nové možnosti spolupráce s ďalšími spoločnosťami, ktoré pracujú na implementácii nových technológií, ktoré presahujú súčasné možnosti a pomáhajú inovatívnym nápadom prejsť z ríše fantázie do novej technologickej reality.