Un esoscheletro è una struttura esterna che supporta i movimenti di un soggetto. Gli esoscheletri motorizzati sono robot indossabili o dispositivi portatili fissati agli arti del soggetto, che utilizzano principi di elettrostimolazione per rilevare dapprima i movimenti del soggetto e poi sostituirli o potenziarli. In genere vengono utilizzati dopo un incidente, una malattia o una paralisi periodica/permanente, in ospedali e centri di riabilitazione che rispondono alle esigenze di persone anziane e con disabilità, o anche di persone affette da lesioni del midollo spinale o ictus (Fig. 1).

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I giunti motorizzati dovrebbero idealmente essere integrati nella struttura dell’esoscheletro e fornire le forze richieste nel funzionamento dell’esoscheletro. I profili di carico possono essere piuttosto gravosi – con sovraccarichi di picco estremi, come nell’esempio tratto da [1] presentato in Fig. 2 – pertanto i motori dovrebbero offrire la capacità di erogare coppie di picco più elevate, supportando i movimenti e i carichi impegnativi associati ai giunti degli esoscheletri. Un’integrazione ideale implica che i giunti siano corti in senso assiale, cioè che non sporgano troppo a sinistra o a destra del corpo. L’intera struttura del giunto, inclusa la trasmissione ad ingranaggi, dovrebbe garantire l’agilità e la mobilità dell’esoscheletro, consentendo alle persone di muoversi con maggiore libertà e sicurezza.

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Motori FiberPrinted™ che sfidano la tecnologia convenzionale dei motori

I motori FiberPrinted™ dimostrano numerosi vantaggi.

1. Sono caratterizzati da statori intrinsecamente sottili, rispetto alle macchine a magneti permanenti convenzionali con nuclei in ferro (Fig. 3). Ciò apre opportunità per l’integrazione di riduttori, freni, sensori, ecc.

2. La valutazione comparativa dei motori sulla coppia di picco (Tabella 1) mostra che i motori FiberPrinted forniscono una coppia di picco estrema rispetto alle controparti convenzionali. Questo aumento della coppia erogata migliora le prestazioni complessive e la reattività dell’esoscheletro, consentendo movimenti più fluidi e precisi. I giunti degli esoscheletri che sperimentano sovraccarichi di breve durata come in Fig. 1 possono sfruttare appieno la capacità di coppia di picco estrema dei motori Alva. La riduzione del peso del giunto, derivante dall’esclusivo rapporto coppia/massa dei motori FiberPrinted, contribuisce all’agilità e alla mobilità complessive dell’esoscheletro, consentendo alle persone di muoversi più liberamente e comodamente.

3.Il ripple di coppia del motore può essere un problema che riduce le prestazioni di un esoscheletro. I motori convenzionali possono presentare un ripple di coppia piuttosto elevato, in parte dovuto alla coppia di cogging (Fig. 4). Il funzionamento privo di cogging, caratteristico dei motori di Alva, contribuisce in modo significativo al funzionamento silenzioso e fluido dei giunti degli esoscheletri. L’assenza di cogging garantisce vibrazioni minime e una ridotta generazione di rumore, offrendo un’esperienza più confortevole e immersiva per l’utente, oltre a ridurre l’usura dei componenti dell’esoscheletro.

4. La costante del motore (vedi anche: The Value of high Km) dei motori FiberPrinted è inoltre di norma superiore a quella dei concorrenti, garantendo elevata efficienza, basse temperature superficiali e un funzionamento prolungato a batteria.

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Soluzioni integrate

Come menzionato sopra, i motori FiberPrinted hanno diametri interni più grandi rispetto ai motori convenzionali. Questa caratteristica consente l’integrazione senza soluzione di continuità di riduttori più grandi all’interno dell’assieme del giunto, migliorando così l’efficienza complessiva della trasmissione di potenza e permettendo all’esoscheletro di esercitare maggiore forza senza sacrificare agilità o velocità. Una delle possibili soluzioni con il motore FiberPrinted sottile è presentata in Fig. 5, che mostra anche la soluzione alternativa basata sulla tecnologia convenzionale. La soluzione di Alva consente non solo di alloggiare un ingranaggio più grande all’interno del motore, ma anche una migliore rimozione del calore dalle parti attive, poiché i percorsi di flusso del calore dalle sorgenti alla superficie esterna dell’alloggiamento sono più brevi.

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La tecnologia dei motori di Alva migliora gli esoscheletri

Indipendentemente dal metodo di integrazione, i vantaggi dei motori FiberPrinted™ sono chiari. La combinazione di coppie di picco più elevate, diametri interni maggiori per ospitare riduttori più grandi, funzionamento privo di cogging e basso peso rende i motori Alva una scelta ottimale per applicazioni con esoscheletri. Questo insieme completo di vantaggi garantisce che gli esoscheletri dotati dei Motori senza alloggiamenti di Alva offrano prestazioni superiori, comfort ed esperienza d’uso, rendendoli ideali per un’ampia gamma di applicazioni, dalla riabilitazione medica all’assistenza industriale e oltre. Il ruolo dei vantaggi tecnologici che abilitano esoscheletri migliori è riassunto graficamente in Fig.6.

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Riferimenti

1. N. Latif, A. Shaari, Ida S. Md Isa, Tan Chee Jun, Torque analysis of the lower limb exoskeleton robot design, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 10, No. 19, October 2015, ISSN 1819-6608.

2. Gan Zhang, Qing Tong, Taixun Zhang, Jinxin Tao, Anjian Qiu, “Design of a high torque density robot joint and analysis of force control method applied for a light exoskeleton”, Electronics 2023, 12(2), 397; (Source).