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FAULHABER GROUP

恢复独立行走的能力

不用拐杖行走,是一些神经肌肉疾病患者的梦想。如今,外骨骼“Autonomyo”让梦想成为现实。这款主动助行器支撑虚弱的肌肉,并实现了模仿自然序列的直观动作序列。额外电力由六个微电机提供。为了促进外骨骼和用户之间的和谐交互,FAULHABER开发了一种带扭矩传感器的创新型一体化部件电机。

恢复独立行走的能力

医学划分了800多种不同的神经肌肉疾病。顾名思义,它们影响着神经和肌肉。有的影响全身,有的只影响某些部位。然而幸运的是,这些疾病大多比较罕见。许多受影响的患者行动受到严重限制。这是因为这些疾病的原因和进展方式尽管各不相同,但它们都有一个共同点:肌无力(肌营养不良),在许多情况下是渐进式的。

“如果腿部出现肌无力,行走就会变得越来越困难,最终变成不依靠东西就无法行走”,瑞士洛桑技术大学(EPFL)康复和辅助机器人研究组(REHA Assist)组长Mohamed Bouri解释说。“肌肉仍有功能,但其无法积蓄足够的力量让患者站稳或独立活动双腿。可想而知,这对患者的活动范围和生活质量有巨大影响。效果类似于卒中后偏瘫。我们的目标是尽可能通过电动辅助来克服这些限制,因此患者的自主活动能力仍然发挥作用”。

轻量级部分辅助

组长指出,现在使用的传统外骨骼已经采用仿人技术。这些器械使截瘫患者无需拐杖就能行走,但其重量超过40公斤。REHA Assist开发的“Autonomyo”只有25公斤重,重量轻得多,适用于患者虚弱但仍有部分功能的肌肉骨骼系统。

用束身衣将此器械固定在用户躯干周围,并用袖带固定在腿部周围。在每侧,三个电机通过提供肌肉缺乏的动力实现活动。在每种情况下,一个电机负责髋关节屈伸,而另一个电机负责膝关节屈伸。第三个电机支持腿部在髋关节处外展和内收,即腿部离开身体中线侧向的活动。这些电机共同帮助患者保持平衡和直立行走。最近一项纳入行走障碍患者的临床研究表明,Autonomyo能按预期工作:外骨骼提供支撑,同时允许自由活动,遵循用户意图。关节活动范围和步态节奏未受到负面影响。


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来自磁测量系统的反馈
该器械根据用户意图辅助步态,这一点至关重要。“改变位置的最初触发——即开始行走——表达为下肢位置的微小变化”,Mohamed Bouri解释道。“我们将惯性测量装置、鞋底的八个负载传感器和充当关节位置传感器的电机编码器的信息结合,对其进行检测。所有这些数据均有助于平衡。”行走时,器械和用户之间的交互至关重要。FAULHABER开发的扭矩传感器负责感测这种交互,从而精确地实施辅助策略。

“将精确的扭矩传感器集成到电机中的项目始于几年前,旨在推广Cobotics等应用,以实现安全人机交互”,FAULHABER高级工程组组长Frank Schwenker解释道。“借助Autonomyo,我们第一次能够在具有挑战性的辅助技术应用中实现该概念。”

传统扭矩检测技术在部件上使用膨胀带;这些膨胀带会因施加的力而变形。这种结构的弱点是连接它们的粘合接头。高级工程组开发人员已用高分辨率测量系统替换这些膨胀带。“这使我们能够在±30牛顿米的测量范围内实现偏差小于1.5%,”Frank Schwenker说道。“因此,传感器为行走活动中的响应扭矩提供了一个非常精确的值。”

这个值在控制Autonomyo外骨骼中起着至关重要的作用,当然也提供许多其他值。“针对个体患者调整器械需要对整个系统进行非常差异化的校准”,Mohamed Bouri解释道。“软件利用各种参数和活动反馈,计算驱动装置的控制信号。然后,基于这些信息确定电机辅助类型和水平。”


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驱动力和发展潜力
每个器械中的六个驱动装置由FAULHABER提供。其核心部件是直径32毫米的3274 BP4无刷电机。这是市场上同类尺寸电机中动力最大的。其动力由42 GPT行星式减速机(其轴专为这种应用而制造)传递。磁性IE3编码器向控制器提供位置数据。将扭矩传感器集成在四个电机的减速机中,用于屈/伸活动。


恢复独立行走的能力
FAULHABER BP4 直流无刷伺服电机

对驱动装置的要求是对顶级微电机的典型要求。该应用最重要的特性是高功率、小体积和重量,还有精密度、可靠性和长使用寿命。“找到合适的供应商并不太难”,Mohamed Bouri回忆道。“已定义规格之后,可选电机已缩减到只有少数候选电机。我们大学的天体物理学 跨学院研究组已与FAULHABER合作,因此他们提供了令人信服的建议,并且已存在良好关系。此外,FAULHABER已能在短时间内开发扭矩传感器。这对我们的项目非常重要。”


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FAULHABER 42GPT 行星减速箱

目前,这个部件还不是一个系列产品,并且迄今为止只为EPFL少量生产。然而,开发工程师Frank Schwenker能想象到许多其他应用领域:“高分辨率扭矩测量能在所有触觉应用中增加重要的价值。例如,用于手术室中所有类型的机器人辅助,其中外科医生引导器械,机器控制动力和精密度。传感器还可提供保护功能,并用于限制扭矩。此外,非常适用于在质量保证的文件编制过程中,需要提供精确扭矩值证据的情况。”

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