Micromotores Brushless de Faulhaber para Exoesqueletos, potencia en espacio reducido

“Caso de éxito: Los micromotores Brushless de Faulhaber se han incorporado en los exoesqueletos “Autonomyo”, ofrecen una elevada potencia y eficacia en un espacio muy reducido”

Caminar sin muletas: esto es algo con lo que sueñan las personas con ciertos trastornos neuromusculares. Con el exoesqueleto “Autonomyo”, este sueño puede hacerse realidad. La ayuda activa para caminar ayuda a los músculos debilitados y permite una secuencia intuitiva de movimientos que imita la secuencia natural.

Para este caso, FAULHABER ha incorporado 6 micromotores brushless y ha desarrollado un innovador motor integral con un sensor de par.

Actualmente hay más de 800 trastornos neuromusculares diferentes que afectan tanto a los nervios como a los músculos. Algunos repercuten en todo el cuerpo, mientras que otros sólo afectan a determinadas zonas. Muchos de los pacientes afectados sufren una grave limitación de la movilidad. Esto se debe a que, aunque estos trastornos tienen muchas causas diferentes y se desarrollan de muchas maneras distintas, todos tienen una cosa en común: la debilidad muscular (distrofia muscular), que es progresiva en muchos casos.

“Si la debilidad muscular se produce en las piernas, caminar se vuelve cada vez más difícil y, finalmente, resulta imposible sin algo en lo que apoyarse”, explica Mohamed Bouri, director del grupo de investigación de Rehabilitación y Robótica Asistencial (REHA Assist) de la Universidad Técnica de Lausana (EPFL). “Los músculos siguen siendo funcionales, pero no pueden reunir suficiente fuerza para que los pacientes se mantengan de pie de forma estable o muevan las piernas de forma independiente. Como es de esperar, esto tiene un enorme impacto en la gama de movimientos del paciente y en su calidad de vida. Los efectos son similares a los de la hemiplejia tras un ictus. Nuestro objetivo era superar estas limitaciones en la medida de lo posible utilizando un soporte motorizado, y así seguir aprovechando la contribución del paciente a sus propios movimientos.”

El exoesqueleto “Autonomyo”

El director del grupo se refiere a los exoesqueletos convencionales que ya se utilizan apoyándose en la tecnología inspirada en los humanoides. Estos dispositivos permiten a las personas parapléjicas caminar sin muletas, pero pesan más de 40 kg

El exoesqueleto “Autonomyo”, desarrollado por REHA Assist, pesa sólo 25 kg. Por lo que, es mucho más ligero y funciona con el sistema musculoesquelético del paciente, debilitado, pero aun parcialmente funcional.

El dispositivo se sujeta con un corsé alrededor del tronco y manguitos alrededor de las piernas del paciente. En cada lado, tres motores permiten el movimiento suministrando la potencia que les falta a los músculos. En cada caso, un motor se encarga de la flexión y la extensión de la cadera y otro motor hace lo mismo con la rodilla. El tercer motor se encarga de la abducción y aducción de la pierna en la articulación de la cadera, es decir, del movimiento lateral de la pierna en dirección contraria a la línea media del cuerpo. En conjunto, los motores ayudan al paciente a mantener el equilibrio y a caminar erguido. En un estudio clínico, Autonomyo demostró que proporcionaba apoyo al tiempo que permitía libertad de movimiento, siguiendo las intenciones de los pacientes. El rango de movimiento de las articulaciones y la cadencia de la marcha no se vieron afectados negativamente.

Información del sistema de medición magnética

Es absolutamente crucial que el dispositivo ayude a caminar según la intención del paciente. “El estímulo inicial para cambiar de posición -es decir, para empezar a caminar- se expresa como un pequeño cambio en la posición de la extremidad inferior”, explica Mohamed Bouri. “Lo detectamos combinando la información de una unidad de medición inercial, ocho sensores de carga en las suelas y los codificadores de los motores que actúan como sensores de posición de las articulaciones. Todos estos datos contribuyen a la asistencia del equilibrio”. Al caminar, la interacción entre el dispositivo y el paciente es crucial. Un sensor de par desarrollado por FAULHABER se encarga de percibir esta interacción y, por tanto, de aplicar con precisión la estrategia de asistencia.

“El proyecto de integrar un sensor de par preciso en un motor se inició hace unos años, con el objetivo de promover aplicaciones como la Cobotics para una interacción segura entre humanos y robots”, explica Frank Schwenker, Jefe de Grupo de Ingeniería Avanzada de FAULHABER. “Con Autonomyo, somos capaces de implementar por primera vez el concepto en una desafiante aplicación de tecnología asistencial”.

La tecnología convencional para la detección de torsión utiliza tiras de expansión en los componentes; estas tiras se deforman por la fuerza ejercida. El punto débil de su construcción es la unión adhesiva con la que se fijan. Los desarrolladores del grupo de Ingeniería Avanzada han sustituido estas tiras por un sistema de medición de alta resolución.

“Esto nos permite alcanzar una desviación inferior al 1,5% en el rango de medición de más/menos 30 newton-metros”, afirma Frank Schwenker. “Por tanto, el sensor proporciona un valor muy preciso”.

Este valor desempeña un papel fundamental en el control del exoesqueleto Autonomyo, al que, por supuesto, también se le suministran otros numerosos valores. “Ajustar el dispositivo a cada paciente requiere una calibración muy diferenciada de todo el sistema”, explica Mohamed Bouri. “A partir de los distintos parámetros y de la retroalimentación del movimiento, el software calcula las señales de control para los accionamientos. A partir de estas informaciones se determina el tipo y el nivel de asistencia de los motores”. 

Los Micromotores Brushless de Faulhaber: potencia en un espacio reducido

Faulhaber, en esta ocasión, ha proporcionado 6 micromotores brushless, cómo el motor DC brushless 3274 BP4 con un diámetro de 32 milímetros. A pesar de que tiene un tamaño muy reducido, ofrece más potencia que cualquier motor de su clase. Su potencia se transmite mediante un reductor planetario de 42 GPT con un eje fabricado especialmente para esta aplicación. Un encoder magnético IE3 suministra los datos de posición al controlador. El sensor de par está integrado en los reductores de los cuatro motores para los movimientos de flexión/extensión.

Los micromotores brushless para este tipo de aplicaciones deber tener una elevada potencia en un espacio muy reducido, peso ligero, además de precisión, fiabilidad y una larga vida útil. “No fue especialmente difícil encontrar el proveedor adecuado”, recuerda Mohamed Bouri. Una vez definidas las especificaciones, la selección de motores se redujo a un pequeño número de candidatos”.

Por ahora, no es un producto de serie y sólo se ha producido para la EPFL en pequeñas cantidades. Sin embargo, el ingeniero de desarrollo Frank Schwenker destaca que este tipo de accionamientos se puede utilizar en otros ámbitos de aplicación: “La medición de par de alta resolución puede aportar un valor añadido en todas las aplicaciones hápticas. Por ejemplo, para todo tipo de asistencia robótica en los quirófanos, donde el cirujano guía el instrumento y la máquina controla la potencia y la precisión. El sensor también puede ofrecer una función de protección y utilizarse para limitar el par. Además, es ideal para los procesos de documentación en el control de calidad en todos los casos en los que es necesario aportar pruebas de valores de par extremadamente precisos.” 

A continuación te mostramos un vídeo donde se muestran toda la gama de motores y micromotores de Faulhaber para el sector medical y la automatización de laboratorio:

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