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Faulhaber医疗解决方案 | 小小的电机竟然能让人重获新生

供稿:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司 2018/6/12 10:09:04

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  1. 关键词: Faulhaber 医疗解决方案 假肢 电机
  2. 摘要:大部分人都在科幻电影中见过功能性假肢,它们能赋予人工肢体超人的力量,但现实生活中,仿生假肢虽然不能让人成为超级英雄,但可以帮助患者完成普通人的日常动作。
大部分人都在科幻电影中见过功能性假肢,它们能赋予人工肢体超人的力量,但现实生活中,仿生假肢虽然不能让人成为超级英雄,但可以帮助患者完成普通人的日常动作。修复学的根本目的是帮助患者恢复日常生活和自理能力,而驱动系统在仿生假肢中的应用则让这一目标成为现实。先进的假肢指头内都安装了高动态驱动系统,这让手部活动更灵活,抓取动作也更自然顺畅。为了让假肢的设计更逼真,比例更协调,电机的安装空间则变得非常有限。正因如此,众多制造商选择了 FAULHABER公司的直流微电机。例如,英国Steepe公司开发了Bebionic肌电手假肢,而FAULHABER的电机则让假肢迅速无误地以恒定握力实现抓握动作。 可凭直觉发起假肢动作 Bebionic肌电手假肢重400到600克,与自然手重量相当。该假肢由人体弱电信号控制,肌肉收缩会产生信号,并被皮肤上的电极测得,其原理与心脏检查中的心电图相似。Bebionic肌电手假肢重400到 600克,与自然手重量相当。   假肢轴上装有两个电极检测肌电信号,它可以将这类信号传输给控制电子元件。这些信号随后被放大,并激活五个小型电机(每台电机对应于一个手指),以此达到移动手指,使手掌摊开或握紧的目的。因此肌肉收缩信号强度可控制抓握的速度和力量:当信号弱时,移动速度慢;当信号增强时,移动速度快。控制假肢摊开或握紧的肌肉,实际上类似于控制自然手上手腕移动的肌肉。假肢佩戴者必须了解肌肉的这种新功能。“人脑的适应能力是超乎想象的,不用多久,佩戴者就能凭直觉发起动作,如同驾驶员在想刹车时踩下刹车一样”,Steeper技术总监Ted Varley解释道。 更多电机,更多控制 20世纪80年代,全球第一只肌电手假肢面世。这种假肢由单一电机进行驱动,只有一个简 单的握紧机制:大拇指、食指和中指进行钳式闭合。无名指和小拇指只有外观功能,没有握力。约十年前, 这一理念发生了根本改变。“我们认为,如果假肢灵活性提高,每根手指所受到的握力就更小”,Ted Varley解释说。为了进行分别控制,假肢的每根手指上都装有一台电机。四台电机装在手掌中,控制大拇指的电机则装在大拇指中。电机集成了编码器,可随时精准地检测手指的位置。每根手指由其独立的电机进行驱动。   采用分别控制后,手指可实现14种不同的抓握状态,其中一种是钥匙式。大拇指上下移动,其他四根手指弯曲,可抓握盘子、钥匙或银行卡这类扁平的物品。第二种是勾式,可承受重达25千克的重物,伸出的食指可使用键盘和遥控。还有种是大力抓握式,大拇指在反向位置,其他四个手指闭合,直到遇到阻力为止。这种形式可抓握形状不规则的物品,例如酒杯。“这要比钳式抓握自然得多。如果五根手指都用上会更为稳定”,Varley强调说。自尊感的提升仿真手为日常活动带来便利。“实际上,假肢让很多微不足道的小事情变得更简单。总而言之,假肢能明显提高生活质量”,Ted Varley解释道。假肢还具有心理效应:“很多用户反馈说,装上Bebionic假肢后,他们感受到了其他人关注,这让他们有自我价值感。”因此,假肢的外观设计也非常重要。“开发第三代Bebionic产品时,我们采用了不同寻常的方法:首先设计出假肢的外壳,然后研究如何将单个部件装入外壳中”,Varley说,“五年前是无法实现小型假肢的,那时技术还不够先进。”2013年,Steeper公司终于找到FAULHABER合作,那时用于该项目的1024 SR系列直流微电机仍处于研发阶段。双方的项目团队共同加快了电机系列和假肢的研发。STEEPER和FAULHABER开发团队在英国和瑞士定期召开讨论会。会议的中介方,即 FAULHABER在英国的独家销售伙伴Electro Mechanical Systems ( EMS )也参与了讨论。在深入合作下,前所未有的电机功率体积比及定制化拇指驱动器为这项紧密合作画上了圆满的句号。 性能标杆 1024 SR系列直流微电机质量优于同类产品,也是市场同等体积电机中功率最大的。该电机直径10毫米,长24毫米,转矩为4.6 mNm,其转速/扭矩曲线较为平缓,因此能在整个转速范围内提供恒定的高扭矩。该电机强大的性能则通过新线圈设计来实现,其中,铜的含量比上一代产品增加了60%,并配备了强大的稀土磁铁。为降低运行噪音,假肢使用了定制的10/1系列行星减速机。Faulhaber直流微电机 “开发一款可整合到拇指内的线性驱动系统是一项巨大挑战”,FAULHABER微电机部的销售工程师Tiziano Bordonzotti说道。FAULHABER子公司Micro Precision Systems (MPS)生产的高精度四点轴承,使制成的驱动系统长度显著小于竞争对手。四点轴承非常独特,尺寸很小,但仍能承受假肢应用中的大轴向力。整个拇指驱动系统可承受高达300 N的轴向力,而其总长小于49毫米。Ted Varley对合作研发成果感到非常振奋:“S尺寸的Bebionic假肢手是市场上最实用的尺寸。如果没有FAULHABER项目团队的密切合 作,该项目将无法成功。”
审核编辑(何为)
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