Eichenberger: Kugelgewindetriebe hoher Leistungsdichte

Kompakte Kugelgewindetriebe für Exoskelett

| Redakteur: Konrad Mücke

Anwendungsspezifisch: Kugelgewindetriebe Carry optimiert der Hersteller entsprechend individueller Forderungen auf höchste Dynamik, exaktes Positionieren, geräuscharmen Betrieb und lange Lebensdauer.
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Anwendungsspezifisch: Kugelgewindetriebe Carry optimiert der Hersteller entsprechend individueller Forderungen auf höchste Dynamik, exaktes Positionieren, geräuscharmen Betrieb und lange Lebensdauer. (Bild: Eichenberger)

Mit dem Hand-Exoskelett «Ironhand» können Menschen trotz beeinträchtigter Muskeln kraftvoll zugreifen. Wesentlich zur zuverlässigen Funktion der von einem schwedischen Unternehmen entwickelten «Powerhand» tragen die Kugelgewindetriebe des Schweizer Antriebsspezialisten Eichenberger bei.

Das schwedische Unternehmen Bioservo entwickelt und verwirklicht als ein weltweit führendes Unternehmen weiche Exoskelette. Diese dienen dazu, Hände und Arme zu unterstützen. Das Team in Schweden entwickelte einen Handschuh, der zur Vorbeugung von Stressverletzungen, zur Rehabilitation und zur Unterstützung von Menschen bei ihren täglichen Aktivitäten zu Hause oder bei der Arbeit beitragen kann. Die nunmehr verwirklichte «Ironhand» vereint medizinisches Know-how, Roboter- und Computertechnologie. Sie basiert auf der Soft-Extra-Muscle-­Technologie und stand im Jahr 2019 erstmals zur Verfügung. Das modulare System besteht aus einem Handschuh für alle fünf Finger und einem Antriebssystem. In der «Powerhand» integrierte Drucksensoren steuern die im Gerät befindlichen Servomotoren an. Dadurch erhält der Träger einen besonders kräftigen Griff.

Fundamentale Fähigkeiten unterstützen

Hände sind an fast allem beteiligt, was wir tun – vom Zähneputzen am Morgen über die anstrengende Arbeit am Tag bis zum Ins-Bett-Bringen unserer müden Kinder am Abend. Eine beeinträchtigte Handfunktion kann daher sowohl im Beruf als auch zu Hause schwerwiegende Folgen haben. Deshalb hat die Fähigkeit, unsere Hände zu benutzen, grösste Bedeutung. Schwache Hände können für berufstätige Menschen mit griffintensiven Arbeitsaufgaben eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich bringen. Schmerzen oder Kraftlosigkeit können zu krankheitsbedingten Fehlzeiten führen. In Notsituationen müssen sogar Aufgaben neu definiert werden (Umschulung). Dies kann sich auf die Gesellschaft als Ganzes und auch auf die körperliche und geistige Gesundheit des Einzelnen auswirken. Indem den Menschen Hilfsmittel zur Verfügung gestellt werden, können sie den Alltag weiterhin bewältigen sowie an ihren Arbeitsplatz zurückkehren. Dadurch verlieren Unternehmen weniger wertvolle Mitarbeiter mit Schlüsselkompetenzen und der Einzelne bleibt weiterhin in der Arbeitswelt integriert. Deshalb hatte sich das schwedische Unternehmen entschlossen, für beeinträchtigte Menschen ein spezielles Exoskelett zu verwirklichen. Bei der Suche nach geeigneten Antriebssystemen fanden die Medizintechniker das Schweizer Unternehmen Eichenberger.

Passender Technikpartner

Der Schweizer Hersteller Eichenberger Gewinde AG ist bekannt dafür, Antriebskomponenten auch aus exotischen Werkstoffen mit speziellen Gewindeformen und in ungewöhnlichen Abmessungen herzustellen. Aussergewöhnliche Geometrien, eigene Interfaces, besondere Werkstoffe und Härteverfahren ermöglichen beeindruckende Sonderlösungen. So kann der Hersteller beispielsweise Kugelgewindetriebe mit den Abmessungen 9,3 mm x 2,125 mm (Durchmesser x Steigung) herstellen. Die dafür erforderlichen Werkzeuge stellt das Unternehmen selbst her. Damit gewährleistet der Gewindespezialist eine kurze Time-to-Market für anwendungsoptimierte Produkte höchster Präzision und Wirtschaftlichkeit. Gemeinsam mit dem schwedischen Hersteller Bioservo entwickelte Eichenberger den ideal passenden Gewindetrieb für das innovative Hand-Exoskelett.

Aussergewöhnlich hohe Kraftdichte

Das Gesamtsystem besteht aus einem leichten Handschuh mit einer tragbaren Steuereinheit, die als Rucksack getragen wird. Innerhalb von Millisekunden kann Letztere die Griffkraft des Trägers um bis zu 80 N erhöhen. Wesentlicher Teil des Antriebssystems sind fünf elektrisch angetriebene, kaltgerollte Kugelgewindetriebe. Sie wandeln die Drehbewegung der kleinen Servomotoren in eine Linearbewegung um. Der ungewöhnlich hohe Wirkungsgrad von über 94 Prozent gewährleistet eine optimale Antriebsleistung.

Die Funktion des mechanisch angetriebenen Exoskeletts ähnelt der unserer Hände. Ein Handgriff wird üblich von den Muskeln des Unterarms und der Hand eingeleitet. Diese Muskeln ziehen die Sehnen, die von den fünf Fingern ausgehen. Gleichermassen arbeitet das Exoskelett. Die druckempfindlichen Sensoren in den Fingerspitzen des Handschuhs erkennen, dass der Benutzer ein Objekt ergreift. Ein Mikrocomputer berechnet die erforderliche Leistung. Servo­motoren treiben fünf filigrane Kugelgewindetriebe mit 5 mm Durchmesser und 2 mm Steigung an. Diese sind über dünne Draht­sehnen mit den Fingern des Handschuhs verbunden, um diese zu bewegen. Dabei können sie zusätzliche Kraft auf den schlanken Handschuh aufbringen. Je höher der Druck auf die Sensoren ist, desto mehr Antriebsleistung und somit Griffkraft stellt das Exoskelett zur Verfügung. Dabei erkennt das Gesamtsystem «Ironhand», wie der Benutzer einen Gegenstand greift, und passt die Greifbewegung intuitiv und automatisch an. Die Antriebsmotoren werden automatisch angesteuert und verstärken den Krafteinsatz des Trägers des Handschuhs. Je kräftiger die Greifbewegung des Trägers ist, desto mehr Leistung wird bereitgestellt.

Mehr als Standard

Die Entwickler des Exoskeletts forderten vom Antriebssystem vor allem einen kompakten Aufbau, hohe Leistungsdichte und sehr geräuscharme Funktion. Zudem soll der Antrieb hochdynamisch bei kleinsten Hubwegen sehr genau positio­nieren. Auch die lange Lebensdauer ist ein entscheidendes Kriterium bei der Auswahl der Antriebskomponenten. Ebenso stehen Sicherheit und Zuverlässigkeit im Fokus. Die Wartungsintervalle und nicht zuletzt die Kosten spielen eine wesentliche Rolle. Diesen Forderungen genügen die Produkte von Eichenberger. Durch individuelles Design und spezielle Herstellungsverfahren passt der Gewindeprofi seine Produkte der Applikation exakt an. Die kaltumgeformten, induktiv gehärteten Kugelgewindetriebe der Dimension 5 x 2 (Durchmesser x Steigung in mm) sorgen beim Hand-Exoskelett für schnelle, präzise Bewegungen bei minimalem Platzbedarf. Zusätzlich verstärkt das ideale Steigungsverhältnis der Spindel die Effizienz der Bewegung. Dank der drei in der Mutter eingebauten und ausgeklügelten Einzelgangrückführungen sind die Gewindetriebe besonders leicht und wirtschaftlich. - kmu - SMM

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