Le sfide nascoste delle protesi attive

Le moderne protesi di arto attive stanno trasformando la vita di migliaia di utenti, consentendo di camminare, salire le scale o svolgere attività con un livello di libertà e autonomia che in passato si riteneva impossibile. Tuttavia, dietro ogni dispositivo protesico di successo si cela una complessa sfida ingegneristica: creare sistemi potenti che eguaglino la fluidità del movimento umano. Potenza e reattività sono due specifiche importanti, ma le protesi devono anche essere comode e facili da indossare. Per questo, in una protesi attiva che sostituisce un arto, la scelta di un motore compatto, leggero, silenzioso e reattivo è essenziale per una soluzione realmente praticabile.

In Alva Industries riteniamo che risolvere queste sfide richieda un nuovo approccio alla tecnologia dei motori. I nostri SlimTorq™ Motori senza alloggiamenti sono particolarmente adatti a soddisfare i requisiti più stringenti di una protesi attiva avanzata.

Integrare alta coppia in articolazioni compatte e leggere

Una protesi attiva deve fornire una coppia sufficiente a muovere un’intera gamba o un intero braccio, ma rimanere al contempo abbastanza leggera e compatta da evitare affaticamento e limitazioni.

I sistemi protesici tipici, come i bracci protesici sopra il gomito e le protesi di gamba sopra il ginocchio, devono ospitare rivestimenti strutturali, batterie, controllori di movimento, motori e trasmissioni. Per raggiungere prestazioni paragonabili ai picchi delle capacità umane, vengono richiesti requisiti elevati.

Ottenere alta coppia richiede in genere motori grandi e rapporti di riduzione elevati, entrambi fattori che aumentano l’ingombro e riducono la reattività.

Un fattore chiave nella scelta di un motore con un rapporto potenza/peso ottimale è la densità della costante del motore, che descrive quanto efficacemente un motore converte il proprio volume o massa in coppia utile per unità di perdita di potenza elettrica. Combina la costante del motore (Km, espressa in Nm/√W) con le dimensioni o il peso del motore, tipicamente normalizzata come Km per centimetro cubo o per chilogrammo. Un’elevata densità della costante del motore significa che il motore può erogare più coppia a parità di perdite nel rame e di spazio o peso disponibili, indicando sia efficienza elettromagnetica sia un design termico compatto. È inoltre essenziale per il comfort dell’utente, perché determina in ultima analisi l’efficienza del motore, garantendo una durata ottimale della batteria e prevenendo calore indesiderato generato dalle perdite intrinseche.

• I motori SlimTorq™ raggiungono fino al 60% di fattore di riempimento del rame, ottenendo una densità della costante del motore superiore del 33% rispetto alle alternative Motori con alloggiamenti.
• Offrono una coppia di picco superiore del 139%, consentendo rapporti di riduzione più bassi senza aumentare le dimensioni del motore.
• Il risultato: attuatori compatti che offrono dinamica rapida con peso minimo, un partner ideale, insieme alla trasmissione, per articolazioni protesiche funzionali di gomito, ginocchio e caviglia.

Eliminare cogging, non linearità e vibrazioni

Un movimento fluido e silenzioso è essenziale nelle protesi. Qualsiasi scatto o vibrazione è scomodo e rappresenta un promemoria costante dell’arto artificiale.

Durante il normale funzionamento (bassa coppia), vibrazioni e pulsazioni in un motore possono essere causate dalla coppia di cogging degli indotti dei motori con cave, dovuta alla loro configurazione ferromagnetica. Durante le prestazioni di picco (alta coppia), il carico estremo può comportare ulteriori irregolarità cinematiche. L’elevato assorbimento di corrente necessario genera campi magnetici estremi nel motore, saturando i lamierini in acciaio del motore con un flusso magnetico tale da raggiungere un livello di saturazione in cui la coppia non viene prodotta in modo efficace. I Motori senza alloggiamenti eliminano completamente i fenomeni di cogging e saturazione.

• I motori SlimTorq™ utilizzano uno statore FiberPrinted™ per Motori senza alloggiamenti e un rotore con array di Halbach per eliminare completamente la coppia di cogging.
• I motori presentano sostanzialmente saturazione nulla e una controforza elettromotrice (back-EMF) quasi perfettamente sinusoidale, per prestazioni silenziose e prive di vibrazioni.
• Questo fa sì che le articolazioni protesiche risultino più simili a un’estensione naturale del corpo, senza ronzii o tremolii che distraggano.

Favorire l’integrazione di design avanzati degli attuatori

Le articolazioni attive richiedono spesso riduttori integrati, viti di comando o sensori. Selezionare la combinazione ottimale è fondamentale per superare la maggior parte delle sfide associate alle protesi attive. La scelta del motore determinerà gran parte dei vincoli dimensionali e prestazionali; per questo è importante fare per prima cosa la scelta giusta. I motori frameless offrono il massimo grado di libertà progettuale, eppure la maggior parte dei motori frameless offre uno spazio molto limitato per questa integrazione a causa dei piccoli diametri interni del rotore.

• I motori SlimTorq™ offrono un foro passante più grande del 31% rispetto a motori comparabili.
• Questo abilita topologie di attuatori innovative, tra cui:
  
  • Attuatori lineari basati su vite con dado rotante per ridurre l’inerzia.
  • Attuatori rotativi basati su inrunner, più corti del 50% e più efficienti rispetto agli outrunner convenzionali.
• Ora chi progetta può collocare riduttori, viti di comando o sensori all’interno del motore (Quasi Direct Drives), riducendo significativamente l’ingombro complessivo dell’attuatore.

I motori SlimTorq™ trasformano ciò che le protesi possono fare

Grazie alla combinazione di alta densità di coppia, funzionamento senza cogging e grande diametro interno, i motori SlimTorq™ consentono alle protesi attive di ottenere più che semplici miglioramenti incrementali. Offrono:

• Maggiore coppia in spazi più ridotti
• Movimento silenzioso e privo di vibrazioni
• Attuatori compatti e integrati
• Minori consumi energetici e maggiore durata della batteria
• Maggiore comfort e fiducia dell’utente
  ‍

Il diametro esterno e il fattore di forma del motore SlimTorq™ 51-12-M lo rendono un candidato ideale per sistemi protesici di gamba e braccio. Il motore può offrire prestazioni molto elevate in un formato compatto. Il diametro interno di 37 mm consente l’integrazione di componenti aggiuntivi come trasmissioni, elettronica e altri elementi meccatronici. Altri motori dell’attuale gamma di prodotti ampliano ulteriormente le possibilità, a seconda delle esigenze di dimensioni e coppia.

Oltre ai motori a catalogo, la tecnologia FiberPrinting™ di Alva è scalabile. Diametri e lunghezze personalizzati possono essere calcolati rapidamente tramite strumenti di progettazione interni, consentendo di simulare e realizzare prototipi ben oltre i limiti dei prodotti standard.

Portafoglio a catalogo attuale:

• Diametri: ø25–160 mm
• Lunghezze: 9–27 mm
• Costanti di avvolgimento specifiche per applicazione
• Supporto completo alla simulazione e linee guida per l’integrazione
  ‍

Che si tratti di supportare un bambino che sta imparando di nuovo a camminare o di consentire a un atleta di competere in autonomia, i motori di Alva fanno la differenza.

Vuoi saperne di più?

Articoli consigliati:

• Forza silenziosa: la superiorità dei motori FiberPrinted™ nelle articolazioni degli esoscheletri
• La chiave per eliminare la coppia di cogging con la giusta tecnologia di motore
• Perché e dove utilizzare Motori senza alloggiamenti
• Il valore di un’Elevata Costante Motore
  ‍

Scarica il white paper: Motori SlimTorq™ per protesi attive per approfondire metriche, grafici prestazionali e topologie di attuatori alla base di questa nuova classe di Motori senza alloggiamenti.