在不斷創新的機器人和可穿戴技術領域中,外骨骼在多個應用中持續展現潛力——徹底改變了人類的行動能力和表現。目前,這項技術在身體康復治療應用中最為普遍;但最終,它可能會在家庭護理和輔助居住環境中變得無所不在——使用者能夠長時間保持行動能力和自由,而不需太依賴他人照顧。 這些可能性令人鼓舞,但將它們變為現實對外骨骼工程師來說相當具有挑戰性。要實現規模化的成功商業應用,需要高度優化的組件和具有豐富經驗的設計合作夥伴,例如 Kollomorgen,我們對於外骨骼設計的挑戰非常熟悉。 應對外骨骼設計挑戰外骨骼需要設計既輕巧又強大、緊湊而又舒適的用戶界面。在設計者考慮為不同應用需求和人體重量大小差異進行規模化和調整之前,所有因素都必須考慮進去。 無論應用是什麼,運動設計和馬達選擇都是工程過程中關鍵的步驟,它們如何幫助(或阻礙)最終性能,這種性能必須如何模仿人體複雜的機械結構?讓我們來看看關鍵的考慮因素和見解。 外骨骼的運動設計和馬達選擇克服外骨骼開發中的挑戰的關鍵在於馬達整合。無框架馬達以其高扭矩密度和緊湊尺寸而在這種複雜的設備中成為首選。然而,將它們無縫地整合到外骨骼框架中,同時確保無瑕疵、高效的運行,仍然是一個複雜且反覆的工作。 這個過程的第一步是了解所需運動的負載和動力學,以及這些轉換必須發生的速率。有了這些速度和扭矩需求,你可以選擇齒輪。齒輪箱的選擇將影響馬達的選擇和整合,這往往是設計挑戰出現的地方。 一旦選擇和整合了組件,測試和驗證可能會顯示性能問題——這迫使設計師重新開始。例如,膝蓋關節上的齒輪箱和馬達組合的重量可能比先前預期的要大,這就需要設計師加強髖關節的規格。這反過來又會影響整體重量、操作溫度等,使外骨骼設計變得困難重重。 在任何機械工程過程中,反覆實驗是不可避免的,但設計師可以採取一些步驟來確保更容易地整合和減少重新工作。 1. 選擇一個針對諧波齒輪齒條優化的緊凑型馬達設計
諧波齒輪傳動在外骨骼設計中是一種常見選擇,因為它可以實現零間隙的輕型、緊湊型關節。為了充分利用這些優勢,設計者必須選擇一種針對這種齒輪傳動優化的馬達。 Kollmorgen TBM2G 無框架電機的尺寸與諧波齒輪傳動直接配合——提供了外骨骼設計所需的緊湊、短形和輕量級關節。專為人形機器人和外骨骼設計的 TBM2G 系列具有七種直徑,範圍從 50 毫米到 115 毫米,三種堆疊長度和多種繞組——共有 63 種可能的目錄標準電機組合。 2. 選擇性能高、扭矩密度大的馬達 除了被優化為齒輪傳動並提供一系列緊湊尺寸外,確保你選擇的馬達比競爭對手更扭矩密集。簡單看來,扭矩密度更大的馬達可以實現外骨骼設計所需的加速(例如幫助一位本來無法移動的用戶向前移動腿)。但更深入地看,性能更高的電機可以簡化設計過程,可更好地適應增加的需求,而不需要設計者從頭開始設計齒輪箱或馬達。性能更高的馬達提供了更大的容錯性和靈活性。 Kollmorgen TBM2G 馬達在這方面表現出色:通常情況下,如果設計者在一個外骨骼系統中最大化了扭矩,並且必須提高齒輪比,他們就不得不犧牲速度。但 TBM2G 馬達不然,透過不同的繞線方式,您可以選擇在高速度仍保有高扭力的馬達款式,因此不必妥協性能。 這種高扭矩高速度的能力還允許更小的齒輪箱選擇。由於齒輪箱通常是外骨骼和機器人設計中較重和較昂貴的組件之一,因此這是一個至關重要的好處。最後但同樣重要的是,這種出色的性能是在低操作溫度下實現的——這是外骨骼使用的關鍵因素,因為它們與人類用戶密切接觸。 了解 Kollmorgen TBM2G™ 系列無框馬達 Kollmorgen's initial success was built on periscopes, particularly for submarines. Dr. Friedrich Kollmorgen had his inventions patented in 1911 and eventually founded the Kollmorgen Optical Corp. in New York in 1916.
100 years of Kollmorgen – this centenary has come about thanks to ingenuity and an entrepreneurial spirit, paired with a systematic overview that even in the early years extended beyond the company's own products. Systems and overall solutions defined the company's development at that time, which was reflected in mergers with other visionaries of the period. In particular, these include Norman Macbeth as chairman of Macbeth Daylighting Company, Hugo Unruh as the founder of Inland Motor, and Robert Swiggett, circuit board inventor at Photocircuits. Kollmorgen gradually evolved into a manufacturer of servo drive technology and motion control products. The company founded by Dr. Friedrich Kollmorgen is regarded, among other things, as a pioneer in the development of engines with permanent magnets. Kollmorgen fitted out the Mars Rover and the ISS, for example; as well as the robot that Dr. Robert Ballard used to capture spectacular images of the Titanic in 1986. Today the company comes under the umbrella of Fortive, which has 1,500 employees worldwide. The European market is supplied from Ratingen. "It's a real honor and privilege to work for a company that is 100 years old. Very few organizations are able to spend over a century developing innovative solutions," says Kollmorgen CEO Dan St. Martin. "Our success is built on the dedication of all our employees, who every day continue to put all their effort into trend-setting innovations, in every corner of the world." |
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