Odzyskanie zdolności do samodzielnego chodzenia

System aktywnego wspomagania chodzenia wspiera osłabione mięśnie i umożliwia intuicyjną sekwencję ruchów, która naśladuje sekwencję naturalną. Dodatkową siłę dostarcza sześć mikrosilników. Aby usprawnić harmonijną interakcję między egzoszkieletem a użytkownikiem, firma FAULHABER opracowała innowacyjny, wszechstronny silnik z czujnikiem momentu obrotowego.

W medycynie rozróżnia się ponad 800 zaburzeń nerwowo-mięśniowych. Jak wynika z nazwy, dotykają one zarówno nerwów, jak i mięśni. Niektóre oddziałują na cały organizm, inne skupiają się w określonych obszarach. Na szczęście większość z nich występuje stosunkowo rzadko. Wielu chorych pacjentów cierpi z powodu poważnych ograniczeń mobilności. Dzieje się tak, ponieważ mimo różnych przyczyn i sposobów rozwoju, zaburzenia te mają jedną wspólną cechę: osłabienie mięśni (dystrofia mięśniowa), która w wielu przypadkach ma przebieg postępujący.

„Jeżeli osłabione są mięśnie nóg, chodzenie staje się coraz trudniejsze, aż do momentu, w którym bez podparcia jest ono niemożliwe” – wyjaśnia Mohamed Bouri, lider grupy badawczej REHA Assist (Rehabilitation and Assistive Robotics, robotyka na rzecz rehabilitacji i wsparcia) z uniwersytetu technicznego w szwajcarskiej Lozannie (EPFL). „Mięśnie nadal pracują, ale nie są na tyle silne, aby zapewnić stabilne stanie lub niezależne poruszanie nogami. Jak łatwo się domyślić, ma to ogromny wpływ na zakres ruchów i poziom życia pacjentów. Skutki przypominają następstwa porażenia połowiczego po udarze. Chcieliśmy w maksymalnym stopniu przezwyciężyć te ograniczenia za pomocą zmotoryzowanego wspomagania, a więc w dalszym ciągu wykorzystywać siłę ruchu samych pacjentów.

Częściowe wspomaganie w lekkiej wersji
Lider grupy opowiada o będących już w użyciu tradycyjnych egzoszkieletach opartych na technologii inspirowanej humanoidami. Urządzenia te sprawiają, że osoby sparaliżowane mogą poruszać się bez kul, jednak ich masa przekracza 40 kg. „Autonomyo” opracowany przez REHA Assist waży zaledwie 25 kg i współpracuje z osłabionym, jednak wciąż funkcjonującym układem kostno-szkieletowym pacjenta.

Urządzenie składa się z gorsetu umieszczanego wokół tułowia oraz mankietów mocowanych do kończyn dolnych. Po każdej stronie znajdują się trzy silniki dostarczające siłę, której brakuje mięśniom. Pierwszy z silników odpowiada za zginanie i prostowanie bioder, a drugi za te same ruchy kolan. Rolą trzeciego silnika jest wspieranie odwodzenia i przywodzenia nóg w stawach biodrowych – innymi słowy ruchu nóg w bok od linii środkowej ciała. Wszystkie silniki pomagają pacjentom w utrzymaniu równowagi i chodzeniu w pozycji wyprostowanej. Przeprowadzone ostatnio badanie kliniczne obejmujące osoby doświadczające problemów z chodzeniem wykazały, że egzoszkielet Autonomyo spełnia swoją rolę, zapewniając wsparcie, ale nie ograniczając swobody ruchów, zgodnie z intencjami użytkowników. Zakres ruchów stawów i kadencja chodu pozostały bez zmian.

Informacje zwrotne z magnetycznego układu pomiarowego
To bezwzględnie kluczowe, aby wspomaganie chodu przez urządzenie odbywało się zgodnie z intencjami użytkownika. „Początkowy czynnik wyzwalający zmianę pozycji, tzn. rozpoczęcie chodzenia, to niewielka zmiana pozycji kończyny dolnej” – wyjaśnia Mohamed Bouri. „Wykrywamy ją, łącząc informacje z jednostki pomiaru bezwładnościowego, ośmiu czujników obciążenia na podeszwach i enkoderów silników, które pełnią rolę czujników położenia stawów. Dzięki wszystkim tym danym wspomagane jest utrzymanie równowagi”. Podczas chodzenia najważniejszą rolę odgrywa interakcja między urządzeniem a użytkownikiem. Za wykrywanie tej interakcji odpowiada opracowany przez firmę FAULHABER czujnik momentu obrotowego, umożliwiając tym samym precyzyjne wdrożenie strategii wspomagania.

„Projekt polegający na integracji precyzyjnego czujnika momentu obrotowego z silnikiem rozpoczęto kilka lat temu, mając na celu promowanie zastosowań takich jak tzw. roboty współpracujące gwarantujące bezpieczną interakcję człowiek-robot” – wyjaśnia Frank Schwenker, lider zespołu ds. zaawansowanych systemów inżynieryjnych w firmie FAULHABER. „Dzięki Autonomyo po raz pierwszy możemy wdrożyć koncepcję w wymagającym zastosowaniu, jakie stanowi technologia wspomagania”.

W tradycyjnej technologii wykrywania momentu obrotowego na komponentach umieszczane są paski rozprężne, które ulegają odkształceniu na skutek oddziałującej siły. Słabym punktem ich konstrukcji jest mocowanie za pomocą połączenia klejonego. Specjaliści z zespołu ds. zaawansowanych systemów inżynieryjnych zastąpili te paski układem pomiarowym o wysokiej rozdzielczości. „Dzięki temu w zakresie pomiarowym plus/minus 30 niutonometrów możemy osiągnąć odchylenie nieprzekraczające 1,5%” – mówi Frank Schwenker. „Czujnik zapewnia zatem bardzo dokładną wartość momentu reakcji podczas chodzenia”.

Wartość ta odgrywa kluczową rolę w sterowaniu egzoszkieletem Autonomyo, który charakteryzuje oczywiście również wiele innych wartości. „Dostosowanie urządzenia do poszczególnych pacjentów wymaga bardzo zróżnicowanej kalibracji całego systemu”, wyjaśnia Mohamed Bouri. „Wykorzystując różne parametry oraz informacje zwrotne z ruchów, oprogramowanie oblicza sygnały sterowania dla napędów. Na podstawie tych informacji określa się typ i rodzaj wspomagania ze strony silników”.

Moc i potencjał rozwojowy napędów
FAULHABER jest dostawcą sześciu jednostek napędowych montowanych w każdym urządzeniu. Ich najważniejszym elementem jest bezszczotkowy silnik 3274 BP4 o średnicy 32 milimetrów. Oferuje on największą moc spośród wszystkich dostępnych na rynku silników w swojej klasie wielkości. Moc przenoszona jest przez przekładnię planetarną 42 GPT z wałem opracowanym specjalnie pod kątem tego zastosowania. Magnetyczny enkoder IE3 przekazuje dane o położeniu do sterownika. Czujniki momentu obrotowego wbudowane są w przekładnie czterech silników sterujących zginaniem i prostowaniem.

FAULHABER BP4 SERWOMOTORY BEZSZCZOTKOWE DC

Wymagania dotyczące jednostek napędowych są typowe dla mikrosilników najwyższej klasy. Do najważniejszych właściwości w tym zastosowaniu należą wysoka moc przy najmniejszej możliwej pojemności i masie, a także precyzja, niezawodność i długi okres eksploatacji. „Znalezienie odpowiedniego dostawcy nie było szczególnie trudne” – wspomina Mohamed Bouri. „Określone specyfikacje zawęziły wybór silników do niewielu producentów. Działający na naszej uczeni międzywydziałowy zespół badawczy zajmujący się astrofizyką już pracuje z silnikami FAULHABER, otrzymaliśmy więc od jego członków przekonujące rekomendacje, a współpraca była już nawiązana. Ponadto możliwości firmy FAULHABER pozwoliły jej na opracowanie czujnika momentu obrotowego w krótkim czasie. Dla naszego projektu było to bardzo istotne”.

FAULHABER 42GPT PRZEKŁADNIE PLANETARNE

Aktualnie komponent nie jest produktem wytwarzanym seryjnie – wyprodukowano go w niewielkiej liczbie wyłącznie na potrzeby EPFL. Jednak Frank Schwenker, inżynier ds. rozwoju, jest w stanie wyobrazić sobie wiele innych obszarów zastosowań: „Pomiar momentu obrotowego o wysokiej rozdzielczości może stanowić znaczną wartość dodaną we wszystkich zastosowaniach opartych na technologii haptycznej. To na przykład wszelkie roboty wspomagające wykorzystywane na salach operacyjnych, gdzie chirurg steruje przyrządem, a maszyna kontroluje jego moc i precyzję. Czujnik może również pełnić rolę zabezpieczenia i ograniczać moment obrotowy. Ponadto idealnie nadaje się do procesów dokumentowania w kontroli jakości wszędzie tam, gdzie konieczne jest udowodnienie wyjątkowo precyzyjnych wartości momentu obrotowego”.

  Zapytaj o więcej informacji…