С тех пор как термин "бионика" был введён в обиход в конце 50-х годов, технология вышла за рамки научной фантастики и превратилась в многомиллиардную индустрию. В недавнем отчёте, объединяющем биологию и электронику, прогнозируется, что рынок бионического протезирования вырастет с 1,5 млрд до 2,8 млрд долларов к 2030 году, что означает ежегодный рост более чем на 9%. С этим тесно связан соответствующий рост развития технологий конечных эффекторов, необходимых для окончательного приведения в действие этих роботизированных решений, включая захват и удерживание.
Рост обусловлен необходимостью улучшить жизнь людей с ограниченными возможностями, подкреплённый возможностями новых технологий, которые позволяют более эффективно использовать робототехнику. Бионические решения включают протезирование конечностей, обеспечивающее замену кистей, запястий, локтей или коленей. Протезы конечностей с электрическим приводом приводятся в движение небольшими двигателями постоянного тока и могут управляться либо миоэлектрическим сигналом, который использует импульсы от остаточной конечности, либо микропроцессором, который собирает данные о положении и ускорении с датчиков для определения правильного движения. С другой стороны, экзоскелеты с электрическим приводом представляют собой носимые устройства, которые обеспечивают внешнюю поддержку тела и, как правило, задействуют конечности.
Миниатюрные двигатели в бионике
Для пациента протез конечности или экзоскелет должны ощущаться естественно, поэтому они должны быть невесомыми. В то время как при разработке бионики используются лёгкие, но прочные материалы, такие как углеродное волокно и графен, приводящие их в движение системы должны обеспечивать высокую удельную мощность.
Для небольших частей тела, включая пальцы и локтевые суставы, используются щёточные двигатели постоянного тока без сердечника из-за их небольшого размера и веса. Здесь функция без сердечника оптимизирует малую массу благодаря конструкции, в которой отсутствует традиционный железный сердечник. Для более крупных суставов, таких как бёдра, колени или плечи, используются бесщёточные двигатели постоянного тока (BLDC), обеспечивающие повышенные требования к крутящему моменту. Оптимизация удельной мощности имеет решающее значение для поддержания малого веса, поэтому такие конструкции двигателей, как бесщёточный двигатель постоянного тока Ultra EC ™ от Portescap, который имеет конструкцию катушки, увеличивающую отношение крутящего момента к массе, очень выгодны.
Щёточный двигатель постоянного тока AthlonixTM от Portescap и бесщёточный двигатель Ultra ECTM
Чтобы пользователь протезов или экзоскелетов мог интуитивно управлять устройствами, они также должны обеспечивать приведение в действие и контроль, аналогичные реакциям человека, поэтому движения должны быть динамичными и в то же время плавными. Низкая инерция, достигаемая благодаря таким конструкциям, как ротор без сердечника, позволяет быстро изменять частоту вращения, и это должно сочетаться с низким заеданием зубьев, обеспечивая плавную передачу крутящего момента. Когда для повышения крутящего момента требуется бесщёточная технология, двигатель Ultra EC имеет конструкцию без пазов, которая также сводит к минимуму заедание и обеспечивает постоянное магнитное поле, уменьшая колебания крутящего момента.
Бионические устройства зависят от батареи, что важно для комфорта пользователя. Чтобы продлить срок службы батареи и свести к минимуму размер и вес батареи, необходима высокая эффективность двигателя. Для суставов меньшего размера конструкция постоянного тока без сердечника минимизирует рассеивание энергии за счёт уменьшения эффекта потерь на вихревые токи. Для более крупных применений бесщёточные двигатели по своей сути эффективны за счёт устранения механических коммутаций, но запатентованная конструкция U-образной катушки Portescap повышает эффективность двигателя Ultra EC.
Стерилизуемые щелевые двигатели выдерживают до 1000 циклов автоклавирования
Хирургические роботы и требования к движению
Улучшая состояние здоровья миллионов пациентов по всему миру, потребность в хирургических роботах даже более распространена, чем в развивающемся секторе бионики. С момента появления первой роботизированной хирургии в 1985 году рынок хирургических роботов сегодня составляет 4,4 миллиарда долларов, и, по прогнозам, к 2030 году вырастет на 18%, поскольку возможности расширяются благодаря тенденциям, включая искусственный интеллект.
Ключевым преимуществом роботизированной хирургии является исключительная точность. Это позволяет выполнять сложные процедуры с помощью минимально инвазивной хирургии, помогая пациенту выздоравливать намного быстрее. Как и бионика, системы движения, приводящие в действие хирургических роботов, имеют фундаментальное значение для достижения высокого уровня точности.
Компания Portescap обладает обширным опытом в области управления движением для поддержки сложных приложений и сейчас расширяет свои возможности для решения проблем с помощью бескаркасных решений. Бескаркасные двигатели состоят из роторов и статоров, не размещённых внутри корпуса, и некоторые из преимуществ, обеспечиваемых этой технологией, включают:
- оптимизация огибающей (уменьшение размера, веса) для конкретного применения
- превосходная плотность крутящего момента и простота интеграции с волновой передачей
- минимальный люфт для точного позиционирования и удержания
- минимальное заедание для плавного движения.
Хотя системы движения для бионики должны быть долговечными для повседневного использования, системы, используемые в роботизированной хирургии, повышают этот уровень из-за необходимости в большинстве случаев выдерживать стерилизацию. Решения для хирургического перемещения включают в себя множество автоклавируемых микродвижений, а бесщёточные щелевые двигатели способны выдерживать до тысячи циклов автоклавирования.
Бесщёточные бесщелевые двигатели обеспечивают высокий крутящий момент и плавность движения
Конечное эффекторное управление
На приведение в действие и управление роботизированными концевыми эффекторами для хирургических роботов, такими как высокоточные лезвия или шлифовальные станки, также влияют тенденции более широкой отрасли. Независимо от того, где и как применяется робот, его концевые эффекторы необходимы для того, чтобы поднимать или захватывать предмет, удерживать инструмент или толкать/тянуть предмет. Обычно концевые эффекторы основаны на захватах с параллельными губками или тремя пальцами, а также захватах с угловым перемещением.
В ходе развития в течение следующего десятилетия произойдет интеграция машинного зрения с искусственным интеллектом, что позволит захватчикам идентифицировать объекты и манипулировать ими с ещё большей точностью, позволяя им выполнять несколько задач одновременно. Для достижения этих достижений нормой является электрическое управление захватом, а не пневматическое, благодаря более высокой степени контроля и обеспечиваемой плотности мощности.
Спрос на системы движения, подчеркивающие эти преимущества, сохранится. Это будет включать растущую потребность в точном управлении положением и усилием. Динамические двигатели, способные быстро разгоняться, помогут достичь этого, а бесщелевые двигатели BLDC обеспечат необходимую низкую инерцию, малый вес и высокие характеристики крутящего момента. Двигатели также будут оснащены передовыми устройствами обратной связи, такими как датчики высокого разрешения, позволяющие точно и быстро регулировать сцепление с дорогой.
Индивидуальная разработка движений
В каждой отрасли существует множество возможностей применения роботов, и требования к каждому отдельному варианту использования сильно различаются. Следовательно, это предъявляет широкий спектр требований к системам движения. Для достижения наиболее эффективных характеристик движения растущей тенденцией будет необходимость индивидуальной настройки. Одна конструкция двигателя не может удовлетворить все потребности, поэтому практически для каждого типа роботов будет требоваться индивидуальная настройка.
Этот подход будет иметь решающее значение для оптимизации работы робота в соответствии с конкретными задачами и, следовательно, улучшения результатов для пациента или пользователя. Кастомизация также может упростить интеграцию для разработчиков роботов, а экономия времени не только ускорит вывод роботов на рынок, но и позволит снизить затраты на разработку.
При выборе оптимального партнёра по управлению движением необходимо учитывать его способность оптимизировать производительность в компактных условиях и выдерживать жёсткие графики разработки.
Portescap предлагает исключительную гибкость при разработке решений за счет надёжных альтернатив по каталогу и полной индивидуализации, а также за счёт использования своих глобальных возможностей в области дизайна и производства для оптимизации стоимости и логистики.
