Soluzioni di azionamento personalizzate per gruppi protesici

Con l'uso del motore giusto, una pompa per vuoto con diaframma miniaturizzato mantiene in posizione le gambe artificiali eliminando la necessità di cinghie e cinture e rendendo più semplice e meno faticosa la vita dei portatori.

Dynaflo, Inc., designer e produttore di pompe per vuoto a diaframma e compressori da sempre crea soluzioni personalizzate in grado di soddisfare esigenze applicative altamente specifiche. L'azienda affronta ogni sfida analizzando una serie di elementi tra cui dimensioni, potenza, consumo di corrente, requisiti dei materiali e ogni altro aspetto importante per creare una soluzione che apporti notevoli vantaggi all'utente.

Quando si impegnano in una nuova soluzione per facilitare l'applicazione di un arto protesico (soprattutto per le gambe) verificano prima di tutto se le piattaforme di pompe per vuoto esistenti potrebbero funzionare. Spesso sono in grado di apportare modifiche minori a un design precedente risolvendo subito il problema. Per questa applicazione, l'azienda ha creato un nuovo design, la pompa per vuoto della serie 2000 che fornisce i massimi livelli di vuoto disponibili per una pompa a diaframma di queste dimensioni (vedere la figura 1).

In genere, i prodotti Dynaflo sono progettati per massimizzare l'efficienza utilizzando fino al 60 percento di potenza in meno rispetto ai prodotti dei principali concorrenti. Si basano su una serie di approcci proprietari, uno dei quali prevede l'integrazione di componenti a bassa usura quali cuscinetti di alta qualità, materiali appositamente studiati e lavorati e motori brushless DC standard e semi-personalizzati che assicurano prestazioni estremamente elevate per prolungati cicli di utilizzo.

Poiché le pompe progettate dall'azienda sono prive di olio, i dispositivi funzionano senza il rischio di contaminazione. Il design esclusivo delle pompe si avvantaggia dell'approccio distintivo dell'azienda: il diaframma viene piegato invece che teso. Questa strategia minimizza la forza necessaria per muovere il diaframma, massimizza l'efficienza e riduce la potenza richiesta per il funzionamento. Questa combinazione di vantaggi è stata perfetta per l'applicazione degli arti protesici.

Fig. 2: utilizzata per sostenere le protesi sfruttando il vuoto invece di cinture e cinghie, la pompa Dynaflo doveva iniziare a funzionare già sotto carico

Sebbene molte protesi si interfaccino con un perno di blocco o una calza o cuscino protesico, molte comprendono ancora cinghie e cinture ingombranti da collegare e da mantenere aderenti nel tempo. Inoltre, i materiali utilizzati spesso causano graffi e irritazioni alla gamba amputata. La soluzione consisteva nel fornire un sistema di attacco basato sull'aspirazione. Poiché Dynaflo non aveva un'unità off-the-shelf in grado di soddisfare le esigenze dell'applicazione, ha deciso di creare da zero un prodotto completamente nuovo. Il design della pompa per vuoto con diaframma miniaturizzato studiato dal team di progettazione dell'azienda presentava una serie di specifiche fondamentali per un corretto funzionamento (vedere la figura 2).

La maggiore preoccupazione del team era sostenere la protesi senza perdere anche una sola parte del vuoto durante l'uso. Questa potenziale situazione poteva causare il distacco imprevisto dell'arto con possibili danni per il paziente. Per risolvere il problema il team sapeva che la pompa doveva essere in grado di avviarsi sotto carico e per questo il motore utilizzato per la pompa doveva fornire coppie elevate secondo necessità. La pompa doveva inoltre raggiungere -27 Hg in pochi secondi. Oltre a questi requisiti, la pompa doveva essere piccola, avere uno spessore inferiore a mezzo pollice, quindi i parametri di progettazione finale si stavano rivelando sempre più specifici e difficili da realizzare.

Il motore giusto

Il team di progettazione di Dynaflo ha scelto il motore maxon RE16 per azionare la pompa (vedere la figura 3). I motori RE sono motori DC con spazzole di precisione che incorporano avvolgimenti senza ferro e spazzole in metalli preziosi insieme a magneti in terre rare per garantire un controllo preciso mantenendo l'assorbimento di corrente proporzionale ai requisiti di coppia dell'applicazione. La soluzione del motore della pompa offriva oltre il 90 percento di efficienza fornendo un preciso movimento di rotazione, necessario per un corretto funzionamento.

I motori utilizzano spazzole in grafite con 2,5 watt di potenza. L'RE13 ha un diametro di 13 mm e una coppia nominale di 1,44 mNm ed è in grado di funzionare a velocità fino a 10.600 rpm. I motori della serie RE di maxon erano letteralmente gli unici disponibili per una applicazione così sensibile e importante. Dynaflo è riuscita a incorporare con una certa facilità il motore nella propria struttura. Inoltre i motori RE sono stati una soluzione a rumorosità ridotta.

Fig. 3: l'RE16 progettato e prodotto da maxon forniva la coppia necessaria per l'avviamento della pompa sotto carico.

Sulla base dell'esperienza tecnica di maxon e dell'attenzione nella progettazione e produzione dei particolari, i motori assicuravano prolungati cicli di funzionamento all'applicazione della pompa. Questo è stato un particolare vantaggio in quanto l'azienda necessitava di un motore che facilitasse la funzionalità della pompa a lungo termine. Poiché gran parte del costo della pompa era correlato al motore, era importante che l'azienda potesse ricondizionare la pompa continuando a utilizzare il motore. La vita prolungata del motore maxon ha permesso a Dynaflo di aggiornare e ricondizionare migliaia di pompe con nuova testa e valvola rimettendole in funzione utilizzando lo stesso motore.

Conclusioni

La pompa utilizzata per l'applicazione della gamba protesica si è affidata al motore giusto per un corretto funzionamento. Creare il vuoto così vicino al corpo umano può generare una condizione potenzialmente difficile se realizzata in modo inappropriato. Il team di ingegneri Dynaflo ha scelto con attenzione i componenti giusti per produrre una pompa per vuoto sicura e affidabile in grado di funzionare per anni. Questo ha dato vita a un prodotto facile da utilizzare e ancora più facile da applicare da parte dell'utente finale.