© FAULHABER | http://www.faulhaberusa.com/
Med eksoskjelettet “Autonomyo” kan denne drømmen nå bli til virkelighet. Det aktive ganghjelpemidlet støtter de svekkede musklene og muliggjør en intuitiv sekvens av bevegelser som etterligner den naturlige sekvensen. Den ekstra kraften leveres av seks mikromotorer. For å lette en harmonisk interaksjon mellom eksoskjelettet og dets bruker, FAULHABER utviklet en innovativ alt-i-ett-komponentmotor med momentsensor.
Medisinsk vitenskap skiller mellom mer enn 800 forskjellige nevromuskulære lidelser. Som navnet tilsier påvirker de både nervene og musklene. Noen har innvirkning på hele kroppen, mens andre kun påvirker den på enkelte områder. Heldigvis er imidlertid flertallet av disse lidelsene relativt sjeldne. Mange av de berørte pasientene lider av sterkt begrenset bevegelighet. Dette er fordi, selv om disse lidelsene har mange forskjellige årsaker og utvikler seg på mange forskjellige måter, har de alle én ting til felles: muskelsvakhet (muskulær dystrofi), som er progressiv i mange tilfeller.
– Hvis muskelsvakheten oppstår i bena, blir det stadig vanskeligere å gå, og til slutt blir det umulig uten noe å støtte seg på, forklarer Mohamed Bouri, leder for forskningsgruppen for rehabilitering og assisterende robotikk (REHA Assist) ved det sveitsiske tekniske universitetet. fra Lausanne (EPFL). “Musklene er fortsatt funksjonelle, men de kan ikke samle nok styrke til at pasientene kan stå stabilt eller bevege bena uavhengig av hverandre. Som du forventer har dette en enorm innvirkning på pasientens bevegelsesområde og livskvalitet. Effektene ligner på Vårt mål var å overvinne disse begrensningene så mye som mulig ved å bruke motorisert støtte – og derfor fortsatt utnytte pasientens bidrag til sine egne bevegelser.
Lettvekt delvis assistanse
Gruppelederen sikter til konvensjonelle eksoskjeletter som allerede er i bruk som støtter seg på humanoid-inspirert teknologi. Disse enhetene lar paraplegiske mennesker gå uten krykke, men de veier mer enn 40 kg. Med bare 25 kg er “Autonomyo” utviklet av REHA Assist mye lettere, og den fungerer med pasientens svekkede, men fortsatt delvis fungerende muskel- og skjelettsystem.
Enheten er festet med et korsett rundt bagasjerommet og mansjetter rundt bena til brukeren. På hver side muliggjør tre motorer bevegelse ved å tilføre kraften som musklene mangler. I hvert tilfelle er en motor ansvarlig for fleksjon og ekstensjon av hoften og en annen motor gjør det samme for kneet. Den tredje motoren støtter abduksjon og adduksjon av benet ved hofteleddet – med andre ord sidebevegelsen av benet bort fra kroppens midtlinje. Til sammen hjelper motorene pasienten til å opprettholde balansen og gå oppreist. I en nylig utført klinisk studie inkludert personer med gangvansker, viste Autonomyo seg å virke etter hensikten: Eksoskjelettet ga støtte samtidig som det tillot bevegelsesfrihet, etter brukernes intensjoner. Omfanget av leddbevegelse og gangkadens ble ikke negativt påvirket.
Tilbakemelding fra det magnetiske målesystemet
Det er helt avgjørende at apparatet assisterer gange i henhold til brukerens intensjon. “Den første triggeren for å endre posisjon – det vil si å begynne å gå – er uttrykt som en liten endring i underekstremitetsposisjonen,” forklarer Bouri. “Vi oppdager det ved å kombinere informasjonen fra en treghetsmåleenhet, åtte belastningssensorer ved sålene og koderne til motorene som fungerer som leddposisjonssensorer. Alle disse dataene bidrar til å hjelpe til med balanse.”
Når du går, er interaksjonen mellom enheten og brukeren avgjørende. En dreiemomentsensor utviklet av FAULHABER er ansvarlig for å registrere denne interaksjonen og dermed implementere assistansestrategien nøyaktig.
“Prosjektet med å integrere en presis dreiemomentsensor i en motor startet for noen år siden, med sikte på å fremme applikasjoner som Cobotics for trygge menneske-robot-interaksjoner,” forklarer Frank Schwenker, gruppeleder for Advanced Engineering hos FAULHABER. “Med Autonomyo er vi i stand til å implementere konseptet i en utfordrende hjelpeteknologiapplikasjon for første gang.”
Den konvensjonelle teknologien for momentdeteksjon bruker ekspansjonslister på komponenter; disse stripene deformeres av kraften som utøves. Det svake punktet med konstruksjonen deres er limbindingen som de er festet med. Utviklerne i Advanced Engineering-gruppen har erstattet disse stripene med et høyoppløselig målesystem.
“Dette gjør oss i stand til å oppnå et avvik på mindre enn 1,5 % i måleområdet på ±30 newtonmeter,” sier Schwenker. “Sensoren gir derfor en svært nøyaktig verdi for responsmomentet i gåbevegelsen.”
Denne verdien spiller en viktig rolle i å kontrollere Autonomyo eksoskjelettet, som selvfølgelig også leveres med en rekke andre verdier.
“Å justere enheten til den enkelte pasient krever svært differensiert kalibrering av hele systemet,” forklarer Bouri. “Ved å bruke de ulike parameterne og tilbakemeldingene fra bevegelsen, beregner programvaren styresignalene for frekvensomformerne. Type og nivå av assistanse fra motorene bestemmes deretter basert på denne informasjonen.”
© FAULHABER | http://www.faulhaberusa.com
FAULHABER BP4 børsteløse DC-servomotorer
Drive kraft og utviklingspotensial
De seks drivenhetene i hver enhet er levert av FAULHABER. Kjernekomponenten deres er den børsteløse motoren 3274 BP4 med en diameter på 32 mm. Den tilbyr den mest kraften av enhver motor i sin størrelsesklasse som er tilgjengelig på markedet. Kraften overføres av et 42 GPT planetgirhode med en aksel produsert spesielt for denne applikasjonen. En magnetisk IE3-koder leverer posisjonsdata til kontrolleren. Momentsensoren er integrert i girhodene til de fire motorene for fleksjons-/forlengelsesbevegelsene.
Kravene til drivenhetene er typiske for mikromotorer i toppklassen. Høy effekt med minst mulig volum og vekt, pluss presisjon, pålitelighet og lang levetid er blant de viktigste egenskapene for denne applikasjonen.
«Det var ikke spesielt vanskelig å finne den rette leverandøren», minnes Bouri. “Etter å ha definert spesifikasjonene, var valget av mulige motorer allerede redusert til bare et lite antall kandidater. Den astrofysiske tverrfakultære forskningsgruppen ved universitetet vårt jobber allerede med FAULHABER, så de ga overbevisende anbefalinger, og et godt forhold eksisterte allerede. I I tillegg var FAULHABER allerede i stand til å kunne utvikle dreiemomentsensoren innen en kort tidsramme. Det var veldig viktig for prosjektet vårt.”
© FAULHABER | http://www.faulhaberusa.com
FAULHABER 42GPT Planetariske girhoder
Foreløpig er komponenten ikke et serieprodukt og har så langt blitt produsert kun for EPFL i små mengder.
Utviklingsingeniør Schwenker kan imidlertid tenke seg mange andre bruksområder: “Høyoppløselig dreiemomentmåling kan gi betydelig verdi i alle haptiske applikasjoner. For eksempel for alle typer robotassistanse i operasjonssaler der kirurgen veileder instrumentet og maskinen kontrollerer kraften og presisjonen. Sensoren kan også gi en beskyttende funksjon og brukes til å begrense dreiemoment. Dessuten er den ideelt egnet for dokumentasjonsprosesser innen kvalitetssikring i alle tilfeller der bevis på ekstremt presise dreiemomentverdier må gis.”