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Prothesen sind seit jeher feste Hilfsmittel, die ihren Trägern nur eine eingeschränkte oder gar keine Bewegung ermöglichen. Obwohl die heutigen Prothesen aus High-Tech-Materialien hergestellt werden, kann mit diesen passiven Prothesen, wie ihre hölzernen Vorgänger, immer noch kein normaler Gang erzielt werden.
Neue, mikroprozessorgesteuerte Knöchel- und Knieprothesen nutzen jedoch die Vorteile der Gleichstrom-Miniaturmotoren, um den Benutzern die Möglichkeit zu geben, auf eine Weise zu gehen, die der natürlichen Bewegungsweise sehr ähnlich ist. Diese aktiven Prothesen bieten Menschen mit Amputationen mehr Mobilität, Sicherheit und Komfort.
AKTIVE SYSTEME ERMÖGLICHEN EINE STABILE, EFFIZIENTE FORTBEWEGUNG
Sehnen und Muskeln sind das natürliche Dämpfungssystem des Körpers. Bei jedem Schritt, den eine Person macht, passen sie die Bewegung der Gliedmaßen an, um sich richtig zu bewegen. Der Körper führt dies schnell und automatisch aus, je nach Körpergewicht, Gleichgewicht und Art der ausgeführten Bewegung, wie z. B. Laufen oder Klettern. Passive Prothesensysteme sind nicht in der Lage, das gleiche natürliche Gefühl wiederzugeben, sodass Menschen mit Amputationen beim Gehen schnell ermüden und Schwierigkeiten haben, einen normalen Tagesablauf zu bewältigen.
Aktive Systeme bieten eine bessere Option. Ausgestattet mit einem intelligenten Mikroprozessor, bieten aktive Prothesen fortschrittliche technologische Funktionen wie verbesserte Stabilität und Lageerkennung. Solche intelligenten Knie- oder Knöchelprothesen ermöglichen es dem Läufer, sich unabhängig von der Geschwindigkeit auf vielen verschiedenen und sogar schwierigen Terrains stabil und effizient zu bewegen. Aktive Systeme können auch mit einer induktiven Ladetechnologie ausgestattet sein, sodass keine Kabel mehr benötigt werden. Außerdem ermöglicht ihre langlebige Konstruktion einen zuverlässigen Betrieb von bis zu 5.000 Stunden oder zwei Jahren. Das Ergebnis: mehr Komfort und Benutzerfreundlichkeit für den Träger.
TYPISCHE DESIGNS FÜR AKTIVE PROTHESENSYSTEME
Aktive Prothesen sind viel komplexer als passive Geräte. Neben dem Mikroprozessor enthalten sie in der Regel sowohl mechanische als auch elektrische Komponenten (insbesondere einen Motor, ein Dämpfungssystem und eine Batterie), die mit der Schnittstelle zu den Gliedmaßen gekoppelt sind, um einen natürlicheren Gang zu erreichen.
Der Mikroprozessor erhält Live-Daten über die Bewegungsphase von hochauflösenden Winkel- und Drucksensoren. Anhand dieser Informationen passt er den hydraulischen Dämpfungsmechanismus an, der einen leistungsstarken Gleichstrom-Miniaturmotor verwendet, um die Dämpfungsfederkräfte in Echtzeit mechanisch anzupassen. Aktive Knie- und Knöchelprothesen erfordern ein Miniatur-Antriebssystem, das folgendes erfüllen kann:
| • | Eine geringe Größe und ein geringes Gewicht für den Komfort des Benutzers und eine ausgeglichenere Bewegung |
| • | Ein niedriges Trägheitsmoment für schneller Reaktion |
| • | Ein Rückführungssensoren |
| • | Niedriger Geräuschpegel |
| • | Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Vibrationen |
| • | Eine Betriebsdauer von etwa 5.000 Stunden (oder zwei Jahren) |
Trotz ihrer Komplexität müssen Bein- und Fußprothesen auch wirtschaftlich sein, damit möglichst viele Betroffene sie nutzen können. Um all diese Anforderungen zu erfüllen, verfügen aktive Prothesen in der Regel über ein Antriebssystem, das einen Gleichstrommotor, ein Getriebe und einen Encoder umfasst.
KERNLOSE BÜRSTEN-GLEICHSTROMMOTOREN LIEFERN HOHE LEISTUNG BEI EINER GERINGER GRÖSSE
Obwohl ein Bürsten-Gleichstrommotor mit Eisenkern eine wirtschaftliche Wahl für diese Anwendung sein kann, kann die Bürsten-Gleichstromtechnologie ohne Kern mit Edelmetallkommutierung die gleiche Leistung in einer kleineren, leichten Einheit bieten. Zu den Vorteilen von Bürsten-Gleichstrommotoren für aktive Prothesen gehören:
| • | Geringe Größe. Ein kleiner, leichter Motor macht die Prothese für den Träger bequemer. Kernlose Bürsten- Gleichstrommotoren sind in Größen erhältlich, die bis zu 30 Prozent kleiner sind als ihr Gegenstück mit Eisenkern. |
| • | Reibungslose Drehzahl. Kernlose Bürsten- Gleichstrommotoren arbeiten ohne den für Motoren mit Eisenkern typischen Cogging-Effekt und bieten dem Benutzer gleichzeitig eine bessere Kontrolle. |
| • | Leichte Integration. Kernlose Bürsten- Gleichstrommotoren können mit einem Getriebe und einem Encoder kombiniert werden, wodurch eine kleinere Baugruppe entsteht, die leicht in den benötigten Raum passt. |
| • | Höhere Systemeffizienz. Benutzer von aktiven Prothesen möchten ihre Geräte nicht im Laufe des Tages aufladen. Dank der geringen Stromaufnahme und der nicht vorhandenen Eisenverluste halten kernlose Bürsten-Gleichstrommotoren einen ganzen Tag lang mit einer Batterieladung durch, sodass dieses Ärgernis vermieden wird. |
| • | Robuste Konstruktion. Diese Motoren ermöglichen es aktiven Prothesen, Stößen und Vibrationen im täglichen Gebrauch standzuhalten. |
Entwickler aktiver Prothesensysteme können diese Vorteile mit einer Baugruppe wirksam einsetzen, die aus dem kostengünstigen Portescap 13N kernlosen Bürsten- Gleichstrommotor in Kombination mit dem R13-Getriebe und dem magnetischen Encoder besteht. Der 13N-Motor kann ein Dauerdrehmoment von bis zu 3,3 mNm liefern, während das Getriebe ein Spitzendrehmoment von bis zu 0,5 Nm aufweist. Die kernlose Motortechnologie bietet zusammen mit dem Planetengetriebe eine außergewöhnliche Leistungsdichte für seine Miniaturgröße von 13 Millimetern Durchmesser und einen hohen Wirkungsgrad von 75 Prozent, um die Ladung des Akkus für einen längeren Betrieb zu verlängern.
Außerdem ist er langlebig. Der 13N Miniatur-Gleichstrommotor verfügt über ein bearbeitetes Metallrohrgehäuse, ein starkes Kommutierungssystem für eine längere Lebensdauer und ein Vollmetallgetriebe, das haltbarer ist als Kunststoffoptionen. Der integrierte magnetische Encoder ist widerstandsfähiger gegen raue Bedingungen als eine optische Version. Darüber hinaus kann diese Baugruppe in einem weiten Temperaturbereich von –15 bis +85 °C betrieben werden und hält den Stößen und Vibrationen stand, die beim täglichen Gebrauch auftreten. Die Hochleistungslager und der reibungslose Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten reduzieren die Geräuschentwicklung erheblich, was diese Baugruppe zu einer idealen Wahl für fortschrittliche Prothetik macht.
Wenn Sie eine Kombination aus Motor, Getriebe und Encoder für Ihre Prothesenanwendung auswählen, sollten Sie eng mit dem Hersteller Ihres Miniaturmotors zusammenarbeiten. Der Hersteller kann nicht nur den besten Motor für Ihre Drehmomentanforderungen anbieten, sondern auch Ihren Motor mit kundenspezifischen Anschlusskabeln, Abtriebswellendurchmessern und -längen, Wellenerweiterungen, modifizierten Spulen und Spezialgehäusen an Ihre Bedürfnisse anpassen.
LÖSUNG VON MOBILITÄTSPROBLEMEN FÜR MENSCHEN MIT AMPUTATIONEN
Die Motoren und Antriebsprodukte von Portescap bieten eine ideale Kombination aus geringer Größe, geringem Geräuschpegel und Gewicht, hoher Leistungsdichte, Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosten, die es Prothesenherstellern ermöglicht, innovative mikroprozessorfähige Knie- und Knöchelprothesen zu entwickeln. Die Vorteile eines Antriebssystems, das auf der Technologie eines kernlosen Bürsten-Gleichstrommotors basiert, in Kombination mit der einfachen und sicheren Induktionsaufladung und der robusten Bauweise einer aktiven Prothese, erleichtern die vielen Herausforderungen, mit denen Menschen mit Amputationen bei herkömmlichen Prothesen konfrontiert sind, und tragen zu einer besseren Lebensqualität bei.
Abbildung 1. Der Portescap 13N Bürsten-Gleichstrommotor (links) in Kombination mit dem R13-Planetengetriebe (rechts)
bietet eine hohe Leistungsdichte und Effizienz, um den Batteriebetrieb für aktive Prothesen zu verlängern.
Abbildung 3. Ein kernloser Bürsten-Gleichstrommotor, ein Getriebe und ein magnetischer Encoder bilden eine robuste und kompakte Baugruppe, die leicht in die Prothese passt.