BLDC-Motor für Rehabilitationsroboter auswählen

Die Auswahl eines BLDC-Motors für einen Rehabilitationsroboter kehrt die Prioritäten um, die die meisten Motorauswahlen prägen. Die Bewegung, die ein Therapiegerät erzeugt, ist konstruktionsbedingt langsam und nicht aus einer Grenze heraus, wird über Sekunden gehalten statt in Millisekunden erreicht und wiederholt sich über die Dauer einer Behandlungssitzung, während eine Extremität eines Patienten am Abtrieb hängt. Der Aktuator am Gelenk wird daher danach beurteilt, welches Drehmoment er lange halten kann, welches Drehmoment er bei sehr niedriger Drehzahl genau befehlen kann und wie viel der Last der Patient durch die Untersetzung noch spürt. Dieser Ratgeber liest diese drei Fragen über neun der Aktuatoren, die derzeit in der Kategorie Roboteraktuatoren gelistet sind, vom 190 g schweren AK40-10 V3.0 KV170 bis zum 940 g schweren AK10-9 V3.0 KV60, und stellt die Fragen der Beanspruchung gegenüber, die ein Rehabilitationsroboter einem Gelenk tatsächlich auferlegt.

Kurzantwort

Ein BLDC-Motor für die Beanspruchung eines Rehabilitationsroboters wird nach drei Größen gewählt, mit denen eine allgemeine Servoauswahl nicht vorangehen würde. Die erste ist das Dauerdrehmoment am Gelenk, weil eine Therapiebewegung eine Extremität über Sekunden hinweg gegen die Schwerkraft hält und die Wicklung den Halt überstehen muss statt den Übergang. Die zweite ist das Drehmoment, das der Aktuator bei den Drehzahlen genau befehlen kann, die eine Therapie nutzt, und diese Drehzahlen liegen weit unter der veröffentlichten Leerlaufdrehzahl. Die dritte ist das Untersetzungsverhältnis, weil das Verhältnis sowohl entscheidet, wie viel Drehmoment das Gelenk für einen gegebenen Motor hat, als auch, wie viel der Last über den Abtrieb den Patienten erreicht. Über die neun hier versammelten Aktuatoren läuft das Nenndrehmoment von 1.3 Nm beim AK40-10 V3.0 KV170 bis 48 Nm beim AK80-64 KV80, die Masse läuft von 190 g bis 940 g, und das Untersetzungsverhältnis reicht von 6:1 bis 64:1. Diese Verhältnisstreuung, mehr als die Drehmomentstreuung, ist es, was ein leichtes Unterstützungsgelenk von einer belasteten Gangtrainingsachse trennt.

Was ein BLDC-Motor für einen Rehabilitationsroboter leisten muss

Die Beanspruchung, die ein Rehabilitationsgelenk auferlegt, ist schmal im Drehzahlbereich und lang in der Dauer, und diese Beanspruchung kommt mit einem Menschen am Abtrieb. Daraus folgen drei Eigenschaften, und diese sind es, die einen BLDC-Motor für ein Gelenk eines Rehabilitationsroboters von einem Motor unterscheiden, der für einen Roboter derselben Drehmomentklasse gewählt wurde.

Die Therapiebewegung ist konstruktionsbedingt langsam

Eine Therapiebewegung wird in Grad des Bewegungsumfangs und Sekunden der Dauer beschrieben, nicht in Umdrehungen pro Minute. Ein Knie oder ein Ellbogen, das über mehrere Sekunden durch seinen Bereich geführt wird, ist ein Gelenk, das sich mit einigen zehn Grad pro Sekunde dreht, und hinter einer 9:1-Stufe ist das ein Motor mit einigen hundert rpm. Die veröffentlichten Leerlaufdrehzahlen der Aktuatoren in dieser Gruppe erreichen 800 rpm beim AK80-6 KV100, weit über jedem Arbeitspunkt, den eine Therapiebewegung verlangt, sodass die Auswahl nicht an die Drehzahlgrenze stößt. Die Auswahl stößt an das andere Ende der Kennlinie, wo die nützlichen Fragen lauten, wie gleichmäßig der Aktuator bei niedriger Drehzahl Drehmoment liefert und wie fein die Rückführung einen kleinen Winkel auflöst.

Die Last ist die Extremität eines Menschen und ändert sich über die Bewegung

Anders als ein Robotergelenk, das eine feste Nutzlast trägt, trägt ein Rehabilitationsgelenk eine Extremität, deren wirksame Last sich mit der Geometrie der Bewegung und damit ändert, wie viel der Patient beiträgt. Ein Patient, der unterstützt, verringert das Drehmoment, das der Aktuator liefern muss; ein Patient, der Widerstand leistet, oder dessen Muskeltonus während einer Dehnung steigt, erhöht dieses Drehmoment in einem Moment, den der Regler nicht eingeplant hat. Ein veröffentlichtes Nenndrehmoment ist daher eine Untergrenze für die Auslegungsrechnung und keine Beschreibung des ungünstigsten Falls, und ein veröffentlichtes Spitzendrehmoment ist die Reserve, die das Unerwartete aufnimmt. Die beiden Größen tragen in dieser Gruppe unterschiedliche Streuungen: Der AK80-6 KV100 veröffentlicht 12 Nm Spitze gegenüber 6 Nm im Nennbetrieb, während der AK10-9 V3.0 KV60 53 Nm Spitze gegenüber 18 Nm im Nennbetrieb veröffentlicht und der AK80-64 KV80 120 Nm Spitze gegenüber 48 Nm im Nennbetrieb.

Drei Größen, die die Anforderung tragen

Auf die kleinste Menge reduziert, tragen drei veröffentlichte Größen den größten Teil einer Rehabilitationsauswahl. Das Nenndrehmoment ist die Dauerangabe, und diese Angabe ist es, die eine gehaltene Pose verbraucht. Das Untersetzungsverhältnis legt sowohl das Drehmoment fest, das das Gelenk sieht, als auch, wie transparent sich das Gelenk für den Patienten anfühlt. Der Dauerstrom ist die elektrische Rechnung für die beiden und dimensioniert den Treiber und das Pack, das mit dem Gerät reist. Alles andere in der Spezifikation, vom Durchmesser bis zur Polzahl, ist eine Randbedingung dafür, diese drei in die Maschine einzupassen.

Niedrige Drehzahl und hohes Haltedrehmoment im Reha-Arbeitsspiel

Die Drehzahl ist der Punkt, an dem eine Auswahl eines BLDC-Motors für einen Rehabilitationsroboter am weitesten von jeder anderen Roboteranwendung abweicht, und die Drehzahl ist das Erste, was die Beanspruchung festlegt, die ein Rehabilitationsroboter mit sich bringt. Der Arbeitspunkt ist nicht schnell, und das Drehmoment an diesem Punkt wird über lange Zeit gehalten, was zwei veröffentlichte Größen in das Zentrum der Auswahl rückt.

Das Arbeitsdrehmoment liegt am unteren Ende des Drehzahlbereichs

Die Spalte der Nenndrehzahl in der Tabelle unten läuft von 23 rpm an einem 24-V-Bus beim AK80-64 KV80 bis 603 rpm beim AK80-6 KV100, und ein Therapiegelenk, das langsam durch einen Bewegungsumfang kriecht, verbringt seine Zeit weit unter allen diesen Werten. Die Aktuatoren mit niedriger Drehzahl in dieser Gruppe sind für diese Beanspruchung kein Kompromiss; die niedrige Drehzahl ist die Konstruktion. Eine 36:1-Stufe am AK45-36 V3.0 KV80 dreht am Abtrieb mit 40 rpm an einem 24-V-Bus, und eine 64:1-Stufe am AK80-64 KV80 dreht mit 23 rpm, und beide Werte liegen innerhalb des Bereichs, den eine Therapiebewegung ohne weitere Untersetzung abdeckt.

Eine Extremität gegen die Schwerkraft zu halten ist Dauerdrehmoment

Eine gegen die Schwerkraft gehaltene Pose zieht kontinuierlich Strom, und Strom ist Wärme. In einem Rehabilitationsgerät ist das Halten kein Zwischenspiel zwischen Bewegungen; an einer Maschine für kontinuierliche passive Bewegung oder an einem statischen Dehnungsaufbau ist das Halten der größte Teil der Sitzung. Die maßgebliche Größe ist daher das Nenndrehmoment, und die Art, diese Größe zu lesen, ist der Vergleich mit dem veröffentlichten Nennstrom, der dazugehört. Der AK80-64 KV80 veröffentlicht 48 Nm im Nennbetrieb bei 7 A, während der AK10-9 V3.0 KV60 18 Nm im Nennbetrieb bei 10.7 A veröffentlicht. Der erste hält mehr als das Doppelte des Drehmoments für den niedrigeren Strom, und der Grund liegt im Verhältnis zwischen beiden und nicht in den Motoren.

Die Wiederholung bestimmt die thermische Beanspruchung, nicht die Spitze

Eine Behandlungssitzung wiederholt dieselbe Bewegung viele Male, und der thermische Zustand der Wicklung zu Beginn jeder Wiederholung wird von der vorherigen Wiederholung festgelegt. Eine Dauerangabe ist eine thermische Aussage, und diese Aussage wird gegen eine Montagebedingung gemacht, die der Aktuatordatensatz nicht vollständig trägt. In einem Gerät mit eigenem Gehäuse und eigenem Wärmepfad ist die Frage, wie viel von dieser Angabe überlebt, eine Frage an den Hersteller, und diese Frage gehört an den Anfang der Anforderungsliste, wenn erwartet wird, dass ein Gelenk über einen großen Teil der Sitzung ein hohes Drehmoment hält.

Warum ein sicheres Gelenk unter Last rücktreibbar bleiben muss

Ein Rehabilitationsgelenk teilt seinen Abtrieb mit einem Menschen. Ein Therapeut, der eine Extremität von Hand führt, oder ein Patient, der die Bewegung ohne Unterstützung versucht, bringt Drehmoment an derselben Welle auf, die der Aktuator antreibt, und das Gelenk muss dieses Drehmoment aufnehmen statt dagegen anzukämpfen. Wie weit das gelingt, legt die Untersetzungsstufe fest, nicht der Motor allein.

Die Rücktreibbarkeit wird vom Verhältnis und der Stufe bestimmt

Das Untersetzungsverhältnis vervielfacht das Motordrehmoment zum Gelenkdrehmoment und teilt die Gelenkbewegung im selben Verhältnis zur Motorbewegung herunter, und dasselbe gilt für das Drehmoment, das eine Person am Abtrieb aufbringt. Eine einzelne Planetenstufe mit 64:1 am AK80-64 KV80 ist weit schwerer vom Abtrieb her anzutreiben als die 6:1-Stufe am AK60-6 V3.0 KV80 oder am AK80-6 KV100, und der Unterschied ist mechanisch und nicht elektronisch. Ein Gelenk, das von einer Hand bewegt werden muss oder das nachgeben muss, wenn ein Patient dagegen drückt, ist der Fall, der einen rücktreibbaren BLDC-Motor verlangt, und das Verhältnis ist der Ort, an dem der Kompromiss zwischen Drehmomentvervielfachung und dieser Freiheit geschlossen wird.

Was ein hohes Untersetzungsverhältnis wegnimmt

Dasselbe Verhältnis, das Drehmoment vervielfacht, arbeitet gegen zwei andere Eigenschaften. Es erhöht die Reibung und das Verdrehspiel der Stufe, die der Abtrieb überwinden muss, bevor irgendeine Last übertragen wird, und es verändert die wirksame Trägheit, die der Patient am Gelenk spürt. Die veröffentlichten Verdrehspielwerte in dieser Gruppe liegen zwischen 0.18° beim AK80-64 KV80 und 0.3° beim AK40-10 V3.0 KV170, beim AK45-10 V3.0 KV75 und beim AK70-9 V3.0 KV60, wobei der AK45-36 V3.0 KV80, der AKH70-16 V1.0 KV41 und der AK80-6 KV100 zusammen 0.2° und 0.22° veröffentlichen. Verdrehspiel wird am Gelenk als Totband zu Beginn jeder Umkehr gespürt, und in einem Rehabilitationsgerät ist ein Totband dieser Größe in der Bewegung sichtbar und nicht nur in ihr messbar.

Wo der Aktuator in einem Patientenkontaktpfad sitzt

Das Sicherheitsargument endet nicht am Aktuator. Ein Gerät, das eine Extremität hält, trägt auch die Grenzen, den Drehmomentbefehlsbereich, den Not-Halt und die mechanischen Endanschläge, und diese Elemente gehören zur Maschine und nicht zum Modul. Was der Aktuator beiträgt, ist, dass er auf ein begrenztes Drehmoment befohlen werden kann und dass er nicht blockiert, wenn der Befehl entfällt. Beides sind Eigenschaften eines integrierten Aktuators mit eigenem Treiber, und beides ist der Grund, warum ein gekapseltes Modul oft der einfachere Ausgangspunkt für ein Gelenk ist, das nachgiebig bleiben muss, während eine Person daran hängt.

Kraftregelung und das Drehmomentband dahinter

Unterstützende Therapie ist ein Drehmomentproblem, bevor die Therapie ein Positionsproblem ist. Ein Gelenk, das einem Patienten hilft, eine Bewegung abzuschließen, muss Drehmoment im Verhältnis zu dem hinzufügen, was der Patient bereits tut, und das verlangt einen Rehabilitationsroboter-Aktuator, dessen Treiber im Drehmoment befehligt und bei kleinen Werten zuverlässig arbeiten kann.

Die Drehmomentregelung braucht eine Schätzung, auf die der Treiber reagieren kann

Ein Befehl im Drehmomentmodus ist nur so gut wie die Schätzung des Abtriebsdrehmoments, mit der der Treiber arbeitet, und diese Schätzung entsteht aus dem Phasenstrom und aus der Positionsrückführung, die der Aktuator trägt. Die gekapselten Module in dieser Gruppe bringen Motor, Untersetzungsstufe und Treiber in einem Gehäuse unter, und der Datensatz nennt die Rückführungsanordnung dort, wo er eine veröffentlicht: Der AK10-9 V3.0 KV60 und der AK70-9 V3.0 KV60 sind beide mit Doppel-Encodern dokumentiert, also der Anordnung, die einen Drehmomentregelkreis statt nur einen Positionsregelkreis unterstützt.

Auflösung am Gelenk, nicht am Rotor

Die Bewegung, die eine Therapie verlangt, ist am Abtrieb klein und auf der Motorseite größer, und das Untersetzungsverhältnis ist der Multiplikator zwischen beiden. Ein Gelenk, das einen Bruchteil eines Grades am Abtrieb auflösen soll, verlangt von der Rückführung auf der Motorseite, diesen Bruchteil multipliziert mit dem Verhältnis aufzulösen, weshalb ein Aktuator mit hohem Verhältnis nicht automatisch derjenige ist, der sich feiner regeln lässt. Die veröffentlichten Ausgangsdrehzahlen in dieser Gruppe zeigen den Punkt bereits: Derselbe Aktuator, der 48 Nm bei 23 rpm am AK80-64 KV80 hält, hält dieses Drehmoment am langsamen Ende des Bereichs, wo der Regelkreis viel Zeit und wenig Signal zur Verfügung hat.

Nachgiebigkeit, Impedanz und Assist-as-needed-Modi

Impedanzregelung, Admittanzregelung und serielle elastische Elemente sind Eigenschaften der Regelungsschicht und keine Einträge in einem Aktuatordatensatz, und keines davon wird mit dem Modul allein erkauft. Was der Aktuator bereitstellen muss, ist die Bandbreite, um einem Drehmomentbefehl zu folgen, und die geringe Reibung, um diesen Befehl klein sein zu lassen. Ein Gelenk, dessen Reibung und Verdrehspiel bei niedrigem Drehmoment dominieren, lässt sich nicht durch Software nachgiebig machen, was der praktische Grund ist, warum das Verhältnis und die Verdrehspielwerte in einer Rehabilitationsauswahl so viel Gewicht tragen wie die Drehmomentangabe.

Dauerhaftes Haltedrehmoment gegen Spitzendrehmoment in einer Sitzung

Die beiden Drehmomentgrößen auf einem Aktuatoretikett beantworten zwei verschiedene Fragen, und eine Rehabilitationsbeanspruchung verbringt den größten Teil ihrer Zeit mit einer der beiden.

Das Nenndrehmoment ist die Größe, die eine Sitzung verbraucht

Das Nenndrehmoment ist die größte Größe, die der Hersteller für den Dauerbetrieb veröffentlicht, und diese Größe ist es, die eine gehaltene Pose oder eine wiederholte langsame Bewegung verbraucht. In dieser Gruppe läuft das Nenndrehmoment von 1.3 Nm beim AK40-10 V3.0 KV170 bis 48 Nm beim AK80-64 KV80, wobei die Mitte des Bereichs vom AK70-9 V3.0 KV60 mit 8.5 Nm, vom AK45-36 V3.0 KV80 mit 8 Nm und vom AK80-6 KV100 mit 6 Nm besetzt wird. Ein Gelenk, das eine Extremität stützt, über einen Bewegungsumfang der Schwerkraft widersteht oder eine Position gegen eine Dehnung hält, arbeitet für die gesamte Dauer in der Nennspalte.

Das Spitzendrehmoment deckt den Übergang, nicht den Halt

Das Spitzendrehmoment ist ein kurzer Ausschlag, und die veröffentlichten Spitzenströme dahinter sind ein Mehrfaches der Nennströme im selben Datensatz. Der AK10-9 V3.0 KV60 veröffentlicht 31.9 A Spitze gegenüber 10.7 A im Nennbetrieb und der AK70-9 V3.0 KV60 veröffentlicht 23.8 A Spitze gegenüber 6.25 A im Nennbetrieb, was ein Unterschied ist, den keine Wicklung lange halten kann. Das Spitzendrehmoment gehört zu den Momenten, in denen eine Rehabilitationsbewegung die Richtung wechselt, eine Extremität auffängt, die zu fallen begonnen hat, oder eine plötzliche Änderung des Muskeltonus aufnimmt. Eine Nutzung als Arbeitspunkt innerhalb einer Sitzung bringt das Gelenk auf eine Nennung, die der Hersteller nicht für den Dauerbetrieb veröffentlicht hat.

Der Strom ist die Zahl, die Treiber und Pack dimensioniert

Ein integrierter Aktuator trägt seinen Treiber im Gehäuse, aber der Strom muss trotzdem aus einem Pack und einem Bus kommen, den das Gerät mitführt, und ein Rehabilitationsgerät ist oft tragbar. Die veröffentlichten Nennströme in dieser Gruppe reichen von 1.9 A beim AK45-10 V3.0 KV75 bis 10.7 A beim AK10-9 V3.0 KV60, und ein Gerät mit mehreren Gelenken vervielfacht diese Größe mit der Anzahl der Achsen, die gleichzeitig bewegt werden. Der Strom ist daher die Brücke zwischen der mechanischen Anforderung am Gelenk und der elektrischen Auslegung des gesamten Geräts, und aus diesem Grund ist der Strom früh festzulegen.

Ein Spezifikationssatz für Rehabilitationsgelenke, leicht bis belastet

Die Tabelle unten sammelt die neun hier besprochenen Aktuatoren auf den Spalten, die ein Rehabilitationsgelenk entscheiden. Jeder Wert ist die Größe, die der Hersteller für diesen Aktuator veröffentlicht.

Untersetzungsverhältnis, Nenndrehmoment, Spitzendrehmoment, Nennstrom, Ausgangsdrehzahl und Gewicht wie vom Hersteller (CubeMars) veröffentlicht. Wo eine Ausgangsdrehzahl zwei Werte trägt, sind dies der 24-V- und der 48-V-Arbeitspunkt in dieser Reihenfolge. Das Nenndrehmoment ist die Dauerangabe und das Spitzendrehmoment ein Kurzzeitwert. Wicklungs-, thermische und Montagedaten für jeden Aktuator stehen auf seiner Hersteller-Produktseite.

Liest man die Verhältnisspalte von oben nach unten, teilt sich die Gruppe in drei Bänder statt in neun Punkte. Drei Aktuatoren arbeiten bei 10:1 oder darunter an einem 24-V-Bus, der AK40-10 V3.0 KV170, der AK45-10 V3.0 KV75 und der AK60-6 V3.0 KV80, alle unter 4 Nm im Nennbetrieb und unter 400 g. Drei arbeiten bei 9:1 an 48 V, der AK70-9 V3.0 KV60, der AK10-9 V3.0 KV60 und der AK80-6 KV100 mit 6:1 am selben Bus, und diese liegen zwischen 6 Nm und 18 Nm im Nennbetrieb. Das letzte Band sind die zwei Aktuatoren, die eine lange Untersetzungsstufe nutzen, um aus einem kleinen Motor ein hohes Drehmoment zu erreichen, der AK45-36 V3.0 KV80 mit 36:1 und der AK80-64 KV80 mit 64:1, wobei der AKH70-16 V1.0 KV41 mit 16:1 die Lücke über der 9:1-Gruppe füllt. Liest man stattdessen quer, trennt die Stromspalte die Bänder erneut: Die leichte 10:1-Gruppe braucht zwischen 1.9 A und 3.8 A, um ihr Drehmoment zu halten, während die 48 Nm des AK80-64 KV80 7 A kosten und die 18 Nm des AK10-9 V3.0 KV60 10.7 A kosten.

Die Baureihe von Hand und Handgelenk bis zum Gangtraining lesen

Die vier Bänder unten reichen vom kleinsten Gelenk, das ein Rehabilitationsgerät voraussichtlich antreibt, bis zur Achse, die einen gehenden Patienten trägt, und jedes Band ist durch eine Beanspruchung definiert und nicht durch eine Zahl. Alle neun sitzen in der Kategorie Roboteraktuatoren, und die Seite Rehabilitationsroboter ist der Ort, an dem diese Anwendung auf der Plattform dokumentiert ist.

Das 190-g- und 262-g-Ende: Hand-, Handgelenk- und Fingerachsen

Der AK40-10 V3.0 KV170 veröffentlicht 1.3 Nm im Nennbetrieb und 4.1 Nm Spitze aus einem 190 g schweren Körper bei 53 mm, und der AK45-10 V3.0 KV75 veröffentlicht 2.5 Nm im Nennbetrieb und 7 Nm Spitze aus 262 g beim selben Durchmesser von 53 mm. Beide laufen an einem 24-V-Bus und beide nutzen eine 10:1-Stufe, und beide sind für die Gelenke am Ende einer Extremität dimensioniert, wo die Masse, die der Patient über eine Bewegung tragen muss, direkt gegen die Therapie aufgerechnet wird. Eine Finger- oder Handgelenkorthese, die getragen statt an einem Rahmen montiert werden muss, ist der Fall, für den diese beiden gebaut sind.

Die 349-g- und 380-g-Stufe: Ellbogen- und leichte Sprunggelenke

Der AK45-36 V3.0 KV80 nimmt denselben kleinen Rahmen und setzt eine 36:1-Stufe dahinter, mit 8 Nm im Nennbetrieb und 24 Nm Spitze bei nur 40 rpm Ausgangsdrehzahl an 24 V, was eine Drehmomentangabe weit über seiner Masseklasse ist, um den Preis der Drehzahl. Der AK60-6 V3.0 KV80 nimmt die entgegengesetzte Position in derselben Hülle ein, mit 3 Nm im Nennbetrieb und 9 Nm Spitze über eine 6:1-Stufe bei 380 g, mit einer Nenndrehzahl von 233 rpm an 24 V und 490 rpm an 48 V. Eine Ellbogenunterstützung, die schnell durch einen Bereich fahren muss, und ein Sprunggelenk, das langsam ein Drehmoment halten muss, sind die beiden Beanspruchungen, die die beiden trennen.

Die Mitte bei 485 g und 540 g: Schulter- und Knieunterstützung

Der AK80-6 KV100 veröffentlicht 6 Nm im Nennbetrieb und 12 Nm Spitze aus 485 g bei 98 mm Durchmesser, mit 603 rpm, der höchsten Ausgangsdrehzahl in dieser Gruppe, und der AK70-9 V3.0 KV60 veröffentlicht 8.5 Nm im Nennbetrieb und 29.2 Nm Spitze aus 540 g bei 89 mm mit einer 9:1-Stufe und einer dokumentierten Doppel-Encoder-Anordnung. Beide liegen in dem Maßstab, in dem eine Schulter oder ein Knie durch einen Therapiebereich gefahren werden kann, und die Wahl zwischen den beiden läuft darauf hinaus, ob das Gelenk Drehzahl bei mäßigem Drehmoment oder Drehmoment bei mäßiger Drehzahl braucht.

Das 850-g- bis 940-g-Ende: Gangtraining und belastete Gelenke

Der AK80-64 KV80 nutzt eine 64:1-Stufe, um 48 Nm im Nennbetrieb und 120 Nm Spitze aus 850 g zu veröffentlichen, und der AKH70-16 V1.0 KV41 veröffentlicht 26 Nm im Nennbetrieb und 78 Nm Spitze aus 879 g mit einer 16:1-Stufe und einer Hohlwelle durch die Achse. Der AK10-9 V3.0 KV60 steht an der Spitze der Massenspalte bei 940 g mit 18 Nm im Nennbetrieb und 53 Nm Spitze und einer dokumentierten Doppel-Encoder-Anordnung. Dies sind die Achsen, die einen stehenden Patienten tragen oder eine ganze Extremität gegen die Schwerkraft bewegen, und die 64:1- und 16:1-Stufen sind es, die das ohne einen schwereren Motor möglich machen.

Die zwei Aktuatoren hinter veröffentlichter Rehabilitationsforschung

Ein Rehabilitationsgelenk wird meist festgelegt, bevor ein veröffentlichter Einsatz existiert, auf den man zeigen könnte, was die dokumentierten Fälle lesenswert macht. Einer ist im Datensatz hier geführt: ein Rehabilitationssystem gegen Muskelatrophie der Université de Sherbrooke, vorgestellt von CubeMars, das zwei der Aktuatoren in diesem Vergleich nutzt, um präzise Dehnungsbewegungen zu erzeugen.

Die beiden Einheiten sind der AK10-9 V3.0 KV60 mit 18 Nm im Nennbetrieb und der AK80-64 KV80 mit 48 Nm im Nennbetrieb, und das Paar bildet eher die beiden schwersten Bänder der Tabelle oben ab als einen Punkt darin. Der Grund, warum ein einzelnes System beide trägt, ist aus den Zahlen lesenswert: Eine Dehnungsbewegung braucht ein Drehmoment, das das Gelenk halten kann, ohne dass die Wicklung heiß wird, und eine Dehnungsbewegung braucht einen Bewegungsumfang, durch den das Gelenk vom Gerät und vom Therapeuten bewegt werden kann. Innerhalb einer Maschine können daher verschiedene Achsen auf verschiedene Verhältnisse fallen, und die 9:1-Einheit und die 64:1-Einheit sind keine Alternativen zueinander, sondern Ergänzungen: Ein Rehabilitationsroboter-Aktuator wird pro Achse gewählt und nicht pro Gerät.

Einen Aktuator auf einen Trainingsmodus abstimmen

Ein Rehabilitationsgelenk wird gegen einen Therapiemodus festgelegt, und die Modi unterscheiden sich darin, wie viel der Arbeit der Aktuator leistet und wie schnell sich die Last ändert. Für eine Anwendung als BLDC-Motor für einen Rehabilitationsroboter ist der Modus ein besserer Ausgangspunkt als die Drehmomentangabe, weil der Modus festlegt, wie Patient und Aktuator die Last teilen.

Passiv und kontinuierliche passive Bewegung

Im passiven Modus bewegt das Gerät die Extremität und der Patient trägt nichts bei, sodass der Aktuator die ganze Last trägt und die Last sich nur mit der Geometrie der Bewegung ändert. Die Anforderung ist ein Drehmoment, das über die Dauer des Durchlaufs gehalten wird, bei einer Drehzahl, die niedrig genug ist, dass die Bewegung als gleichmäßig gelesen wird, und die Größen, die das entscheiden, sind das Nenndrehmoment und der Nennstrom des Aktuators. Ein Gelenk, das allein für passive Bewegung gebaut ist, kann das längste Verhältnis der Gruppe nutzen, weil nichts in der Beanspruchung nach Drehzahl verlangt.

Aktiv unterstützt und Assist-as-needed

Im aktiv unterstützten Modus trägt der Patient bei und das Gerät füllt die Lücke, und die Lücke ändert sich von Wiederholung zu Wiederholung. Dies ist der Modus, der Drehmomentregelung statt Positionsregelung verlangt, und es ist der Modus, in dem eine dokumentierte Doppel-Encoder-Anordnung am AK10-9 V3.0 KV60 oder am AK70-9 V3.0 KV60 relevant wird, weil ein Drehmomentregelkreis eine Rückführung braucht, die sowohl die Motorseite als auch den Abtrieb abbildet. Es ist außerdem der Modus, in dem geringe Reibung und geringes Verdrehspiel am meisten zählen, da die Unterstützung klein genug sein muss, um unter der eigenen Anstrengung des Patienten zu bleiben.

Widerstand und Krafttraining

Im Widerstandsmodus wirkt das Gerät der Bewegung entgegen, statt die Bewegung zu erzeugen, und der Aktuator arbeitet als programmierbare Bremse. Die Last ist weiterhin dauerhaft, und die Last wird in der Richtung aufgebracht, in die der Patient drückt, was das Gelenk in den Teil seines Bereichs bringt, in dem die Wicklung Strom zieht, ohne dass sich das Gelenk bewegt. Der Nennstrom und nicht die Nenndrehzahl ist die Größe, die diese Beanspruchung begrenzt, und das Verhältnis zählt aus einem anderen Grund als im passiven Modus: Eine lange Stufe lässt einen kleinen Motor ein großes Widerstandsdrehmoment halten, und genau dafür sind der AK45-36 V3.0 KV80 mit 36:1 und der AK80-64 KV80 mit 64:1 ausgelegt.

Gangtraining und Körpergewichtsunterstützung

Im Gangtraining folgt das Gelenk einem Gehzyklus statt einem einzelnen Bewegungsumfang, und die Last wechselt zwischen der Standphase, in der das Gelenk hält, und der Schwungphase, in der es sich bewegt. Dieser Wechsel ist der Grund, warum eine Gangachse meist am schwereren Ende der Tabelle landet: Die Haltephase braucht die Nennangabe und die Schwungphase genug Drehzahl, um mit einer Kadenz mitzuhalten, und beides zusammen schiebt die Auswahl zu einem Verhältnis, das Drehmoment erkauft, ohne die ganze Drehzahl zu verlieren. Der AKH70-16 V1.0 KV41 mit einer Hohlwelle durch die Achse zur Verkabelung des Gelenks ober- und unterhalb und der AK10-9 V3.0 KV60 mit 53 Nm Spitze sind die beiden Anordnungen, zu denen diese Beanspruchung tendiert.

Auswahl-Checkliste

Die Beanspruchung und der Sicherheitsfall

• Das Dauerdrehmoment, das das Gelenk halten muss, und die Dauer jedes Halts festhalten, bevor irgendeine Modellnummer betrachtet wird.
• Das Spitzendrehmoment festhalten, das die Bewegung bei einem Richtungswechsel braucht, und es getrennt von der Halteangabe führen.
• Entscheiden, ob das Gelenk von einer Hand bewegt werden muss oder unter dem Druck eines Patienten nachgeben muss, und das Untersetzungsverhältnis gegen diese Antwort festlegen.
• Den Drehmomentbefehlsbereich und die Grenzen bestätigen, die die Maschine vorgeben wird, da diese zum Gerät gehören und nicht zum Aktuator.

Mechanik und die Patientenschnittstelle

• Die veröffentlichte Masse gegen die Art prüfen, wie das Gerät getragen wird, und distale Masse gegen die Bewegung aufrechnen und nicht gegen den Rahmen.
• Das veröffentlichte Verdrehspiel gegen die kleinste Bewegung prüfen, die die Therapie auflösen muss.
• Den veröffentlichten Durchmesser und die Länge gegen die Hülle prüfen, die die Extremität zulässt, bevor Drehmomentwerte verglichen werden.
• Wo Leitungen das Gelenk überqueren müssen, prüfen, ob eine Hohlwelle durch die Achse verfügbar ist.

Integration, Rückführung und der Treiber

• Die für den Aktuator veröffentlichte Rückführungsanordnung bestätigen, und ob die Anordnung einen Drehmomentregelkreis statt nur einen Positionsregelkreis unterstützt.
• Das Haltedrehmoment mit der veröffentlichten Angabe in einen Nennstrom umrechnen und dann über die Anzahl der Achsen multiplizieren, die das Gerät gleichzeitig bewegt.
• Die Busspannung aus der Drehzahl, die die Bewegung braucht, bei dem Drehmoment, das die Bewegung braucht, festlegen, anhand der veröffentlichten Spalte der Ausgangsdrehzahl.
• Den Hersteller nach dem Wärmewiderstand und der Montagebedingung hinter der Dauerangabe fragen, da der Datensatz diese Werte nicht enthält.

Häufige Fragen

Offizielle Ressourcen

CubeMars dokumentiert die AK-Baureihe auf CubeMars’ eigener Seite, und jeder Aktuator in diesem Vergleich hat eine offizielle Seite mit seiner vollständigen Spezifikation, Untersetzungsstufe und Montagezeichnung. Die Produktpalette des Herstellers ist der Einstiegspunkt, und die beiden im Rehabilitationssystem genannten Einheiten sind einzeln dokumentiert: der AK10-9 V3.0 KV60 und der AK80-64 KV80. Das CubeMars-Herstellerprofil versammelt dieselbe Baureihe auf ToBMS, und die Produktdokumentation über ToBMS’ Kategorien ist unter Ressourcen gesammelt. Der Hersteller bleibt die Quelle der Wahrheit für Wicklungsoptionen, thermische Nennwerte und Rückführungsvarianten; ToBMS hält die Ebene der Entdeckung und des Vergleichs, und jeder in diesem Ratgeber verwendete Wert ist ein veröffentlichter Wert, der in ToBMS’ Produktdatensätzen geführt wird.

Wie es weitergeht

Der engste Begleiter zu diesem Ratgeber ist Exoskelett-Aktuatoren: Drei CubeMars-QDD-Aktuatoren von 260 g bis 1.4 kg, der dieselbe Gelenkbeanspruchung für ein tragbares Gerät liest, und BLDC-Motoren für Exoskelette: Rahmenloser Drehmomentmotor vs. integrierter Aktuator greift die frühere Entscheidung auf, ob das Gelenk ein nackter Stator- und Rotor-Bausatz oder ein gekapseltes Modul sein soll. Für die Aktuatorklasse selbst arbeitet Roboteraktuatoren: Passenden integrierten Aktuator für Robotergelenke wählen den vollen Spezifikationssatz durch, und Gelenkmodule auswählen: fünf CubeMars-Aktuatoren von 190 g bis 1.4 kg folgt dem leichten Ende derselben Baureihe ausführlicher. Wo die Anwendung neben dieser liegt, decken BLDC-Motoren für humanoide Roboter: Drehmoment, Drehzahl und Größe abstimmen und Worauf es bei einem BLDC-Motor für einen kollaborativen Roboterarm ankommt die benachbarten Beanspruchungen ab.

Um eine Auswahlliste statt einer Recherche zu erstellen, ist die volle Kategorie Roboteraktuatoren der Ausgangspunkt, Kandidaten lassen sich in Auswahl nach Drehmoment, Verhältnis und Masse filtern und dann in Produktvergleich gegeneinander stellen. Wo das Gelenk ein nackter Bausatz statt eines gekapselten Moduls sein muss, trägt die Kategorie Rahmenlose Drehmomentmotoren dieses Ende der Baureihe, und die Alternative mit direktem Antrieb sitzt in Quasi-Direct-Drive-Aktuatoren. Die Seite Rehabilitationsroboter ist der Anwendungseinstieg für diese Beanspruchung, und die benachbarten Seiten Gelenkmodul, Kollaborativer Roboterarm, Humanoider Roboter und Quadruped-Roboter decken die Anwendungen ab, die diese Aktuatoren teilen.